Клетки являются чудом эволюции. Они представляют собой чудо не с религиозной точки зрения, а потому, что обладают набором чудесных качеств. Каждый из нас в своей основе представляет собой сообщество миллиардов клеток, которые определяют все — от наших движений до памяти и способности к воображению. Мы обязаны своим происхождением всего лишь одной клетке — оплодотворенной яйцеклетке. Да и вообще вся жизнь на земле произошла из одной-единственной клетки миллиарды лет тому назад. Открытие клеточной теории считается более важным событием в биологии, чем даже теория эволюции Дарвина, поскольку эта теория позволила установить общую основу целого ряда различных явлений. Она объясняет то, как функционирует наше тело, что является исключительно важным тогда, когда что-то нарушается и мы заболеваем. Для того чтобы понять природу целого ряда заболеваний — от рака до инсульта и болезни Альцгеймера, мы должны научиться понимать то, как работают отдельные группы клеток во всем многообразии единого клеточного сообщества. Познание клеток — это ключ к будущему медицины. Мы также должны научиться понимать, как происходит старение клеток, и благодаря этому познать природу самой смерти. Когда нас поражают болезнетворные микробы и вирусы, наша иммунная система пытается выявить нежеланных пришельцев, вторгшихся в организм, уничтожить их и ради этого предпринимает очень серьезные усилия. Что же, как не клетки, лежит в основе этих фундаментальных жизненных процессов и движет ими? И что же такое сама жизнь?

Как наука прояснила основные факторы жизни

В древности было принято давать простые объяснения вопросам жизни и смерти, действующим в обществе законам и тому, что такое хорошо и что такое плохо. Делалось это в основном в русле религиозных воззрений, которые передавались из поколения в поколение. В самых разных культурах это находило отражение в мифах и легендах, ритуальных песнопениях и танцах, в писаных и неписаных законах. Затем появились греки. Они ничего не знали о клетках, но они пытались понять устройство жизни, особенно тогда, когда что-то нарушалось и люди заболевали.

Наука обязана своим зарождением древним грекам, которые попытались понять устройство мира, основываясь на логике и доказательствах. Другие человеческие общества, например китайское, располагали замечательными технологиями, однако до создания науки они не додумались. Впрочем, в области биологии древним грекам не удалось добиться значительных успехов, поскольку обыденные представления часто противоречат научным фактам — они помешали грекам сформировать идею о том, что в основе жизни лежит деятельность клеток.

При этом Аристотелю удалось совершить небывалый прогресс в области логики, Евклиду — в сфере математики, а Архимеду, возможно самому великому из древнегреческих ученых, — в области физики и механики. Некоторые из древнегреческих ученых были сторонниками атомарной теории устройства мира, считая, что мир создан из мельчайших частиц. Аристотель эту идею отвергал, полагая, что материя — едина.

Как воспроизводятся клетки, как поддерживается порядок в сообществах клеток, как клетки зарождаются и как умирают

Лишь изучая клетки, мы можем выяснить, что же такое жизнь. Я не буду пытаться решить непосильную задачу и дать всеобъемлющее определение жизни — вместо этого я просто опишу ее главные свойства. Первым является способность к размножению, к воспроизводству самой себя, что происходит, например, когда клетка вырастает и делится на две новые клетки. Вторым свойством является способность к упорядочиванию и выработке энергии для происходящих в клетке процессов — таких, как перемещение молекул и синтез новых химических соединений. Третье свойство — способность клетки к развитию, а четвертое, и последнее, — к смерти. Удивительно, но во всех этих процессах ключевую роль играют одни и те же нитевидные молекулярные образования — ДНК и белки.

Белки внутри клеток — настоящие волшебники. Однако еще более важную роль играют ДНК, из которых образуются гены в хромосомах и которые обеспечивают матрицы для строительства новых белков. При этом все ДНК обладают уникальным общим свойством — это единственное внутриклеточное образование, которое точно воспроизводит само себя. Перед тем как происходит деление клетки, создается точная копия-двойник ее ДНК. Определяя структуру различных белков клетки, ДНК эффективно контролирует многие из происходящих внутри клетки процессов.

Как белки определяют работу клеток

Подобно заводам, оснащенным многими сборочными линиями, клетки исполняют множество функций: растут и делятся, двигаются и поддерживают свою структуру. Клеточная деятельность — это и мускульные сокращения, и передача нервных импульсов. Все это делается при помощи белков.

Многие наши клетки организованы в ткани — такие, как ткани кожи, легких и кишечника, — и выполняют различные функции в соответствии со своим предназначением. Возьмите, например, кожу, которая защищает нас от укусов насекомых и проникновения грязи, не позволяет жидкостям проникать в организм и выходить из него наружу. Внешний слой нашего кожного покрова представляет собой мертвые клетки, которые все время отшелушиваются и отпадают. В основном они состоят из белка кератина, который предопределяет их прочность. Этот же белок отвечает за то, чтобы связь клеток друг с другом была эластичной и одновременно прочной.

Потеря клеток кожи, которые располагаются на самой поверхности, восполняется за счет образования новых, которые образуются из стволовых клеток, находящихся в подкожном слое. Другой тип клеток образует нашу разветвленную кровеносную систему, в которую входят кровеносные сосуды, артерии, вены и капилляры общей протяженностью почти в сто тысяч километров. Одних капилляров — мельчайших сосудов, соединяющих артерии и вены, — в нашем организме 40 миллиардов.

Как ДНК кодируют структуру белков

Каждая наша клетка содержит около 30 тысяч различных генов, в то время как некоторым бактериям достаточно всего 500 генов. В генах содержатся коды, согласно которым синтезируются белки и определяется порядок расположения в них аминокислот. В каком бы месте человеческого тела ни находились клетки, они всегда содержат один и тот же набор генов. Однако в зависимости от типа клеток — клеток кожи, нервных или мышечных — в них для синтеза новых белков задействуются различные гены.

Длинные цепочки ДНК в хромосомах клетки плотно сжаты. Компактное расположение ДНК в хромосомах осуществляется за счет особых белков, вокруг которых наматываются нити ДНК. Но в клетке присутствуют белки, которые, чтобы облегчить синтез новых белков согласно содержащемуся в ДНК коду, при необходимости переводят ДНК из компактной формы в развернутую. Под воздействием этих белков готовящиеся к делению клетки хромосомы развертываются и с этого момента занимают в 10 тысяч раз больше места.

Нуклеотиды типа «А», «Т», «С» и «G», входящие в состав длинных молекул ДНК, располагаются в определенном порядке, чтобы обеспечивать кодирование белков при их синтезе, который происходит из 20 различных видов аминокислот. ДНК при этом выполняют роль матрицы — каждому белку соответствует свой ген, по образцу которого осуществляется синтез аминокислот, образующих нужный белок.

Как стволовые клетки воспроизводят сами себя

Стволовые клетки обладают функцией самообновления — они могут делиться снова и снова, порождая многие другие типы клеток. Они ежедневно делятся в нашем теле, порождая клетки крови, клетки кожи, клетки, выстилающие наш кишечник, клетки хрящей, даже некоторые нервные клетки и клетки, обеспечивающие работу нервных окончаний. Таким клеткам, как клетки кожи и кишечника, которые постоянно отмирают, все время требуется замена. После деления стволовой клетки одна из образовавшихся дочерних клеток так и остается стволовой, в то время как вторая развивается в специализированную клетку — например, клетку кожи. Стволовые клетки могут делиться и симметрично, то есть так, что обе новые дочерние клетки остаются стволовыми.

Из-за способности к громадному числу делений, равно как и способности порождать самые разнообразные типы клеток, стволовые клетки представляют собой восхитительный многообещающий инструмент, который можно было бы использовать для лечения различных болезней. Они могли бы стать основой регенеративной медицины.

Как мы развиваемся из одной-единственной клетки

Поразительно все-таки, что всего одна-единственная клетка, а именно оплодотворенная яйцеклетка, развивается в нечто столь сложное, как человек, или в такое огромное, как слон, или в такое маленькое, как муха. Как же это происходит?

На протяжении многих столетий известно, что мы и другие животные развиваемся из эмбрионов. Загадкой оставалась природа самого эмбриона и то, как именно происходит его развитие. Никакой прогресс в исследовании этого был невозможен, пока не установили, что мы представляем собой набор клеток и происходим из одной-единственной клетки, из яйцеклетки после того, как совершается процесс ее оплодотворения.

Гиппократ в пятом веке до н. э. пытался описать процесс нашего происхождения из огня и воды, объясняя, как взаимодействие этих двух стихий приводит к застыванию при одновременном сохранении влажности. Столетие спустя Аристотель поставил вопросы, для ответов на которые потребовались последующие столетия. Он задался вопросом, формируются органы эмбриона одновременно или последовательно? Возникают органы эмбриона в законченном и упорядоченном виде с самого начала (преформация) или же образуются мало-помалу, и это похоже на постепенное вязание рыбацкой сети (эпигенезис)? Аристотель поддерживал идею эпигенезиса.

Как работает механизм мейоза

Яйцеклетки и сперматозоиды — это настоящие короли и королевы клеточного сообщества. Лишь их потомство остается жить тогда, когда все остальные миллиарды клеток погибают. По сути, единственная роль всех этих миллиардов клеток заключается в том, чтобы обеспечить встречу яйцеклетки и сперматозоида.

То, как эволюция пришла к воспроизводству на сексуальной основе, а не на самооплодотворении самой яйцеклетки, — весьма сложная история. Но почему так случилось — понятно. Сексуальный механизм воспроизводства обеспечивает, во-первых, возможность большего генетического разнообразия, а во-вторых, возможность избавления от нежелательных генов. Самый простой способ избавиться от никчемных генов — поступать так, как это делают самки многих позвоночных, которые отказывают самцам с какими-либо изъянами. В известном смысле так же поступают женщины, выбирая одного мужчину и отвергая другого.

Как сообщаются друг с другом нервные клетки

Серая, мягкая, комковатая масса, которую представляет собой человеческий мозг, совершенно справедливо считается самым сложным образованием во Вселенной. В нашем мозгу содержится около 100 миллиардов нервных клеток, которые также называют нейронами, и еще большее число клеток, которые обеспечивают их деятельность. То, что вся эта масса клеток позволяет нам мыслить и чувствовать, представляется почти невероятным. Все, что мы делаем, определяется этим невообразимо сложным сообществом нервных клеток. Однако для нас по-прежнему во многом загадка то, как именно они сообщаются друг с другом, чтобы мы могли думать и испытывать ощущения, сознавать, что мы делаем, или хотя бы идти и одновременно думать о чем-то.

Любые наши действия осуществляются благодаря сигналам, которыми обмениваются друг с другом нервные клетки. Длинные отростки нервных клеток часто собираются вместе в общие пучки. Каждый такой пучок в просторечии называется нервом — он может достигать относительно большого размера. В дополнение к собственно нервным клеткам в нашем мозгу есть немало клеток, известных под названием глиальных. Их функция заключается не в передаче сигналов, а в обеспечении изоляции нервных волокон, в питании нервных клеток и удалении отходов их жизнедеятельности.

Как клетки размножаются, растут и приходят в упадок

Подобно большинству других животных, мы рождаемся очень маленькими и затем растем. Причем рост начинается уже во время нашего эмбрионального развития. Хотя эмбрион и слишком мал по сравнению со взрослой особью, в которую ему предстоит превратиться, основные принципы строения нашего тела закладываются именно на эмбриональной стадии развития. Схема будущего тела человека в целом сформирована уже тогда, когда конечности и главные органы достигают всего лишь нескольких миллиметров в длину.

Части тела новорожденного ребенка вырастут в дальнейшем в разной степени, пропорции его тела изменятся, и, например, голова перестанет казаться такой уж большой относительно туловища. Рост каждой части тела в значительной степени программируется в клетках эмбриона на ранней стадии развития.

Человекообразные черты на стадии эмбрионального развития мы начинаем приобретать, когда эмбрион достигает 1,5 сантиметра в длину. В момент появления на свет наша длина составляет уже около 50 сантиметров. Затем мы вырастаем примерно до 180 сантиметров — при этом рост зависит от половой принадлежности. Расти человек перестает после достижения стадии половой зрелости.

Как клетки обороняются от бактерий и вирусов

Когда мы заболеваем, то это, в сущности, означает, что в ненормальном и болезненном состоянии оказались наши клетки. Человеческий организм выработал специальные механизмы, позволяющие обороняться от вторжения бактерий и вирусов, которые ищут подходящее место, где они могли бы размножаться, и от физического ущерба, который наносят нашим клеткам, например, порезы и ожоги. Особые клетки немедленно устремляются в пораженную область, чтобы ликвидировать повреждение. Ключевую роль в этих процессах играют клетки иммунной системы, распознающие в организме инородные тела.

Главные биологические враги наших клеток — бактерии и вирусы. Инфекционные заболевания являются виновниками каждой третьей смерти. Один лишь только вирус СПИДа унес жизни 20 миллионов людей. Болезнетворные бактерии и вирусы, если им удается проникнуть в клетку, используют для своих целей ее ресурсы — во внутриклеточном пространстве они находят все необходимые для жизни и воспроизводства питательные вещества. Многие болезнетворные микроорганизмы сумели создать защитные механизмы, которые включаются, когда клетка пытается их уничтожить. Они также способны перемещаться из клетки в клетку в поисках более комфортной для себя среды.

Как злокачественные клетки образуют опухоли

Мы представляем собой сообщество клеток, которые удивительным образом взаимодействуют для того, чтобы мы оставались живы и здоровы. Но вот «является» рак и нарушает все принципы сотрудничества в этом счастливом семействе клеток. Раковые клетки стремятся овладеть всем организмом и совершенно не заботятся о соседних клетках, которые приводят к гибели. Рак — это, собственно говоря, развитие вторгшихся в организм злокачественных клеток, которые борются со здоровыми клетками за пространство и ресурсы. И даже одна-единственная клетка из миллиардов клеток нашего организма, ставшая злокачественной, способна породить рак.

Рак возникает при изменении генетической конституции клетки. Из-за этого клетка становится неуправляемой и начинает неконтролируемо расти и делиться, образуя в конце концов целое скопление себе подобных клеток — опухоль. Опухоль может быть доброкачественной и не оказывать негативного воздействия на соседние клетки. Однако даже небольшая опухоль в мозгу способна привести к смерти человека из-за ее воздействия на нервные ткани, приводящего к тому, что нервные клетки теряют способность нормально функционировать; подобные явления могут происходить и в других органах. По мере роста и увеличения опухоли она блокирует воздухопроводящие пути и кровеносные сосуды. Образовавшаяся в кишечнике опухоль может вызвать кровотечение. Рост раковых клеток имеет целый спектр последствий, и в любом случае опухоли наносят серьезный ущерб организму.

Когда клетки ведут себя ненормально

Какими бы умными и надежными ни были наши клетки, порой и в их действиях, как видно из предыдущей главы, случаются сбои. Клетки ведут относительно стабильную жизнь и адаптируются к небольшим естественным изменениям в окружающей их среде, однако они подвержены разного рода воздействиям. Причины многих болезней коренятся в том, что клетки повреждаются и начинают вести себя ненормально.

Мы уже рассматривали последствия воздействия на клетки инфекций в виде бактерий и вирусов и разбирали механизм возникновения рака. Сейчас же мы обратимся к другим заболеваниям, возникающим вследствие разнообразных ошибок и сбоев в деятельности клеток. Многие из таких сбоев происходят из-за генных мутаций. Они могут приводить к возникновению различных заболеваний, от фиброза до дистрофии мышц. Однако при этом обычная последовательность «мутации — болезнь» ясно прослеживается далеко не всегда.

Ошибки, совершенные лишь одним-двумя членами большого коллектива, способны оказать отрицательное влияние на его деятельность в целом. Так, функционирование человеческого организма может быть нарушено из-за сбоев в доставке крови по кровеносным сосудам. Ведь именно кровь доставляет в клетки питательные вещества и кислород, в которых они постоянно нуждаются. Даже кратковременное приостановление снабжения может иметь для клеток печальные последствия.

Загадка первой клетки

Теория Дарвина со всей ясностью говорит о том, что человек развился из самой первой клетки, появившейся миллиарды лет тому назад. Как же возникла эта самая первая клетка? Каково происхождение жизни? Является ли жизнь чем-то большим, нежели просто удачным результатом сложных химических реакций?

То, как отдельные клетки развились во многоклеточные организмы, — гораздо более простой вопрос, нежели вопрос о происхождении первых клеток: когда клетки появились, для них, в сущности, уже не составило проблемы развиться во все остальное, в том числе и в нас, в людей. Эволюция отбирала те клетки, которые эффективнее всего размножались, — те, чьи гены кодировали белки, лучше всего способствующие выживанию клеток.

Изучение древних каменистых отложений позволило обнаружить следы жизни, относящейся к периоду времени от трех до четырех миллиардов лет тому назад. В настоящее время на нашей планете существует более 10 миллионов различных видов живых организмов, и все они состоят из клеток. Живые существа возникали в силу естественного отбора, завоевывали территории, размножались — одни в ходе естественного отбора выживали, другие вымирали.

Аденозинтрифосфат (АТФ) — источник энергии для большей части процессов жизнедеятельности клеток.

Аксоны — выходящие из нервных клеток нити, передающие электрические нервные импульсы.

Актин — белковая молекула, которая участвует в процессах сокращения мускулов и движения клеток.

Аминокислоты — молекулы, которые соединяются друг с другом, чтобы образовать белки.

Антиген — чужой белок или сахар, который распознается иммунной системой.

Яндекс.Метрика Top.Mail.Ru