Четвертое измерение

Биология, как геология и космология, тесно связана с историческими событиями. Объекты ее исследования насчитывают возраст около нескольких миллиардов лет. Это четвертое измерение стало очевидным только около 200 лет назад, когда были обнаружены окаменелости, которые, как доказали ученые, не являются жертвами Великого потопа или шалостями некоего божества, посадившего несколько мертвых видов среди живых особей (так полагали некоторые). Это были кости и оболочки давно вымерших животных, окаменевшие отпечатки растений, которые пышно цвели много тысячелетий назад. По мере разработки методов определения возраста в геологии исторические события начали проясняться: чем древнее были остатки ископаемых, тем примитивнее оказывался уровень их организации. Так, выяснилось, что моллюски появились раньше рыб, развитие которых в свою очередь предшествовало возникновению пресмыкающихся. Птицы и млекопитающие появились позже, за ними последовало появление первых гуманоидов. На основании полученных учеными данных в первой половине XIX в. была создана концепция эволюции живых организмов, вершиной которой явилось опубликование в 1859 г. Ч. Дарвином основополагающей работы «Происхождение видов путем естественного отбора».
Хотя окаменелые остатки содержат ключи к разгадке эволюции клеток, недавние достижения в области биохимии и молекулярной биологии снабдили нас новыми мощными средствами, позволившими воспроизвести прошлое путем исследования настоящего. Открытия в этой области вызвали большой интерес, и четвертое измерение вошло в биологию клетки и проникло в концепции о живой клетке и ее составе. В таком путешествии, как наше, мы не можем пройти мимо этих фактов. Поэтому иногда, делая остановку, мы с вами будем возвращаться к происхождению и эволюции наблюдаемых явлений.

Материалы за 01.10.2010

Чтобы узнать, каким образом построена клетка и как она работает, необходимо прибегнуть к языку химии. А так как процессы химического превращения, происходящие в живых клетках, исключительно важны, следует пользоваться наиболее усложненной формой этого языка. Именно отражением этой сложности и прогресса в понимании химических процессов объясняется бурное развитие биохимии в последние годы.
Однако не все туристы могут оказаться учеными. И будет очень обидно, если вся прелесть и очарование жизни клетки откроются только небольшой группе знатоков, знакомых с миром биомолекул. Разумеется, мы заинтересованы взять с собой как можно больше людей и приложим усилия к тому, чтобы предоставить такую возможность всем желающим. Но все же нам понадобятся некоторые знания химии — без них большая часть путешествия окажется бессмысленной.
Итак, допустим, что все мы в некоторой степени знакомы с концепциями и законами химии. По возможности я буду использовать образы и модели для объяснения основных химических понятий. Полагаю, что научная строгость и точность не пострадают от такого вынужденного упрощения.
При этих условиях, надеюсь, наше путешествие станет возможным для многих. Более того, думаю, что у всех путешественников возникнет желание глубже проникнуть в мир молекул, так как наслаждение от изучения жизни живой клетки станет еще больше. Ведь для того, чтобы любоваться пирамидами и сокровищами фараона Тутанхамона, вовсе не обязательно быть египтологом. Однако, чем больше вы узнаете историю этих знаменитых объектов, тем больше удовольствия и пользы получите от их созерцания.

Необходимое снаряжение для подводного плавания

Разрешите сделать последнее замечание, пока мы еще не отправились в путь. Клетки живут в воде, даже если организмы, частью которых они являются, живут на суше. Возьмем, например, наши собственные клетки. За исключением внешних слоев кожй, состоящих из мумифицированных, мертвых клеток, все клетки нашего тела погружены в какую-нибудь жидкость, будь то кровь или производное от нее. Точно так же клетки растений омываются растительным соком. Даже наиболее устойчивые бактерии нуждаются во влаге. Они могут выжить и в отсутствие влаги, но только переходя в состояние спячки; все процессы приостанавливаются, и это состояние длится до тех пор, пока вода не вернет их к жизни. Состояние спячки может наступать и в жизни более сложных клеток, например плесени или семян.
Таким образом, путешественники в мир живой клетки напоминают исследователей подводного царства из фильмов Жака Кусто. Они путешествуют вплавь, ибо без воды многое из того, чем они любуются, сморщилось бы наподобие тех хрупких существ, которые покрывают поверхность подводных камней.
Итак, наденьте акваланг и прыгайте в воду.
Мы отправляемся в путь!

Химический подход

К тому времени, когда микроскописты трудились над усовершенствованием своих приборов, относится второй этап изучения клетки — начало ему положили открытия таких ученых, как француз Антуан де Лавуазье, англичанин Джозеф Пристли и другие; в конце XVIII в. они создали новую науку — химию. В отличие от морфологии, которая развивается от сложного к простому, химия продвигается от простого к сложному. Начиналась химия с идентификации элементов, атомов и затем про-двигалась по пути изучения некоторых их более простых комбинаций молекул. Исторической вехой проникновения химии в живой мир является впервые проведенный немецким ученым Фридрихом Вёлером в 1828 г. синтез биологической молекулы — мочевины. Это позволило пересечь границу между неорганической и органической химией, которая, по мнению многих, могла быть преодолена только с помощью «жизненной силы».
Следующие сто лет отмечены значительными успехами в наших представлениях о химическом составе живых клеток. Были открыты, очищены, структурно изучены и получены синтетическим путем аминокислоты, сахара, жиры, пурины, пиримиднны и другие небольшие существующие в природе молекулы. Ученым удалось в известной мере составить представление о метаболизме этих веществ в организме и путях образования из них основных биологических молекул: белков, полисахаридов и нуклеиновых кислот. Но тут опять возникли труднопреодолимые препятствия на пути к прогрессу. Перед сложностями структурной комплексности, обнаруженными в этих крупных молекулах, классическая химия оказалась почти бессильной.

Инструменты и их развитие

Чуть более 300 лет отделяют нас от того времени, когда впервые была замечена живая клетка; ныне мы являемся свидетелями массового внедрения туризма и средств популяризации в этой области. Каждая веха, возникшая на пути, который вел исследователей в глубь клетки, связана с появлением нового инструмента или прибора. Вот почему нам следует остановиться на основных этапах этого пути.

Экспериментальный подход

Экспериментальный подход

В течение длительного времени клетки изучали в основном путем наблюдения за ними. Но по мере развития экспериментального метода в естественных науках к нему начали прибегать и при исследовании живых организмов. Это в значительной степени облегчалось мощным взрывом биомедицинских изысканий, проводимых во второй половине прошлого столетия. Физиология, фармакология, генетика, бактериология, иммунология, экспериментальная эмбриология, сравнительная и эволюционная биология — все эти науки во многом помогли проникнуть в мир живой клетки и лучше узнать его. Наиболее важное событие, относящееся к началу нашего века, связано с именами американца Росса Гаррисона и француза Алексиса Карреля, которые установили, что клетки животных можно культивировать в пробирке наподобие одноклеточных организмов. Тем самым они продемонстрировали способность клеток к независимой жизни и создали метод культивирования, который и по сей день оказывает значительную помощь исследователям.
Вместе с тем эти достижения, по сути революционные, по-прежнему были основаны на методах, которые волей-неволей оставались непрямыми, а клетки продолжали существовать сами по себе, будучи практически закрытыми «черными ящиками». Вот почему, несмотря на значительный прогресс во всех областях науки, все еще существовала неисследованная область между наименьшей различимой в световом микроскопе частицей и наиболее крупной молекулой, доступной химическому исследованию. На карте знаний о живой клетке эта область охватывала (широкое пространство, превышающее два порядка увеличения, оставаясь tегга incognitа. Ученые сознавали, что в этой таинственной, казалось бы, недоступной территории скрыты принципиально важные понятия и концепции, без знания которых жизнь клеток навсегда останется нераскрытой, но могли только с огорчением взирать на нее. Однако кое-кто из них не сдавался. Идя по стопам своих предшественников, они призвали изобретательность на помощь пытливости в надежде осуществить единственно возможное: улучшить методы исследования.

Мир клетки

Мир клетки — Часть- 2

Растения также состоят из различных типов клеток, объединенных структурными элементами. Но организация растений отличается от животных. Их структура в основном зависит от запасания солнечной энергии, которая утилизируется в специ-альных фабриках световой энергии, зеленых хлоропластах. Если их удалить, то останется нечто, напоминающее животную клетку. Как и у животных, у растений имеются различные уровни организации — от наиболее сложных цветковых растений и деревьев до наиболее просто устроенных одноклеточных водорослей. У их не- фотосинтезирующих сородичей, грибов, также имеются ранги сложности, нисходящие от высших грибов до плесени и дрожжей.
Все эти клетки, составляющие животное и растительное царства, построены по одному общему плану. В частности, их тела имеют в своем составе объемную центральную структуру определенной формы, называемую ядром, и разделены на многочисленные четко выраженные отделения мембранными перегородками. Такие клетки называются эукариотическими (греч. ёи — хорошо, полностью и кагуоп — ядро). Именно эти клетки мы посетим. Путешествие в основном будет проходить в нашем родном царстве животных, и лишь изредка мы будем заглядывать в мир растений.
Наряду с эукариотами существует более простая форма живых клеток, называемых прокариотами из-за того, что их ядро имеет примитивную структуру. К прокариотам относятся бактерии. Их размеры намного меньше, чем у эукариотов, они живут отдельными особями или объединены в примитивные колонии и имеют очень простую внутриклеточную организацию.Тем не менее бактерии обитают в колоссальном числе видов животных, они умудрились заселить наиболее негостеприимные участки окружающей среды, в том числе насыщенные парами водоемы, в которых бьют горячие источники, и насыщенную солью воду высыхающих морей. Бактерии имеются повсюду, они выполняют немало весьма важных функций, благодаря которым остатки мертвых организмов превращаются в вещества, которые вновь включаются в круговорот жизни. Без бактерий жизнь эукариотов вскоре бы замерла. Однако некоторые бактерии болезнетворны — они способны внедряться в высшие организмы и вызывать заболевания.
Если мы сделаем увеличение микроскопа на порядок больше, то обнаружим вирусы. Они уже не считаются клетками, так как не могут самостоятельно существовать. Несмотря на это, вирусы обладают одним ключевым атрибутом жизни — способностью подавать сигналы для начала своей репродукции, при условии, что имеется необходимое «оборудование». Его они на-ходят обычно при проникновении в клетку эукариотов или прокариотов. Оказавшись внутри клетки, вирусы перенимают клеточные механизмы передачи генетической информации и таким образом размножаются, что, как правило, приводит к разрушению и гибели клетки, в которую они внедрились.

Мир клетки — Часть- 1

Прежде всего договоримся о том, что такого понятия, как какая-то отдельная живая клетка, нет. Есть только живые клетки, бесчисленное множество их разновидностей. Если мы будем рассматривать даже наиболее очевидные характеристики клеток — размеры, форму, характер движения и другие внешние проявления, — мы обнаружим их колоссальное разнообразие. При этом основные черты сходства всех клеток могут ускользнуть от нашего взгляда, как это произошло с первыми учеными, работавшими с микроскопом более 150 лет назад. Но если мы с вами, путешествуя, проникнем в глубь клеток, то их сходство выявится. Когда мы достигнем мира субмикроскопических структур и будем знакомиться с их молекулярными функциями, различия между клетками в значительной степени сотрутся. Говоря о живой клетке как об объекте путешествия, мы подразумеваем нечто, объединяющее все живые клетки, обобщающие основные, наиболее характерные проявления жизни.
Большая часть нашего путешествия пройдет среди этого разнообразия клеток, но все же иногда мы будем останавливаться и на отдельных определенных клетках. Поэтому перед началом путешествия следует познакомиться с различными типами клеток, которые могут встретиться на нашем пути.
Организм человека состоит из нескольких сотен типов клеток, каждый из которых представлен триллионами индивидуумов.
Это нервные, мышечные клетки, клетки желез, крови и другие; каждый тип имеет ряд различных подтипов. Как указывают названия, клетки определенных типов группируются в органы или системы органов, выполняющие специфические функции. Способ их группировки часто играет решающую роль в проявлении функций клеток. Например, поперечно-полосатые мышечные клетки похожи друг на друга и обладают способностью к сокращению. Порядок их объединения определяет различия между сотнями различных мышц в теле человека. Типы связи клеток достигают вершины сложности в центральной нервной системе, состоящей из десятков миллиардов клеток, каждая из которых связана с десятками тысяч таких же клеток. Подобные связи устанавливаются между клетками, которые каким-то образом выявляют и распознают друг друга, а затем объединяются вместе. Их ассоциации стабилизируются и поддерживаются рядом внеклеточных структурных элементов, ответственных главным образом за формирование определенной характерной структуры каждого типа ткани.

1945 год: прорыв Часть 1

Длительные непрерывные усилия внезапно принесли желанные результаты в конце второй мировой войны; именно тогда благодаря удивительному стечению обстоятельств почти в одно и то же время ученые обогатились целым рядом новых мощных инструментов и методов исследования. В морфологии таким инструментом стал электронный микроскоп. Созданный еще в 30-е гг., он обладал достаточной разрешающей способностью, позволяющей про’ никнуть в дотоле неизвестное пространство клетки вплоть до структур размером в нанометр. Вместе с тем слабая проникающая способность электронного пучка требовала приготовления очень тонких образцов материала — не более нескольких миллионных долей дюйма — и высокого вакуума. Столь жесткие требования создавали значительные технические трудности, которые многих обескуражили. Но некоторые исследователи упорствовали, воодушевленные перспективами прогресса, открывающимися при применении новой техники. В удивительно короткий срок им удалось разработать методы для подготовки образцов тканей и сконструировать приборы для получения из них ультратонких срезов. Качество изображения объектов неуклонно повышалось, что позволило к началу 60-х гг. морфологически описать многие из ранее неизвестных структур.
В свою очередь биохимия также обогатилась целым рядом принципиально новых приборов и методов. Наиболее важными из них оказались хроматография и мечение изотопами. Особый интерес представляла хроматография, основанная на очень простом феномене — образовании каемки или ореола вокруг пятна. Этот феномен знаком каждому, кто когда-либо видел, как на промокательной бумаге растекается капля чернил, или пытался удалить пятно специальным раствором. В основе этого явления лежат различия в скорости движения разных красок в потоке растекающейся жидкости. Некоторые краски могут двигаться вместе с растворителем, но многие запаздывают в той или иной степени, что объясняется их связыванием с волокнами бумаги или ткани. Именно так образуются кон-центрические круги. В начале текущего столетия русский физиолог и биохимик растений Михаил Семенович Цвет первым использовал этот феномен. Пропуская экстракт из листьев через вертикальную трубку, заполненную адсорбирующим порошком, он сумел разделить основные пигменты листьев — зеленый и оранжевый — и получить их в виде отдельных окрашенных полос или колец вдоль трубки. Свой метод он. назвал «хроматографией» (греч. rhromа — цвет, graphein — записывать) .
Цвет умер относительно молодым, и потенциальные возможности его замечательного метода долгое время, вплоть до начала 40-х гг., оставались неиспользованными. Сейчас существует множество вариантов хроматографии — не ограниченной, разумеется, пигментированными молекулами, а применимои ко всем веществам, которые могут быть идентифицированы аналитическим методом. Близким к хроматографии методом является электрофорез в геле, при котором не поток растворителя, а электродвижущая сила способствует передвижению и разделению электрически заряженных компонентов. Описанные методы произвели подлинный переворот в области химического разделения и анализа. Теперь на следовых количествах смеси практически любого состава можно без особых усилий провести анализ, который раньше был полностью недоступен ученым или требовал от них трудоемких повторных экстракций, преципитаций или кристаллизации и больших количеств исходного материала.

Проблема размеров

Клетки измеряются в микронах (1 мкм — одна миллионная часть метра), молекулы в нанометрах (1 нм—одна миллиардная часть метра). Столь малые частицы очень трудно увидеть глазом. Возьмем, к примеру, среднюю клетку эукариотов. Неравномерно сферическая по форме, она имеет диаметр около 25 мкм, или 2,5 тысячных сантиметра, так что один миллиард клеток поместится плотно в 2,5 кубических сантиметра. Диаметр бактерий составляет около 1 мкм; в одну клетку эукариотов может поместиться свыше 10 000 бактерий. Многие вирусы настолько малы, что тысячи их могут занять одну бактериальную клетку, или же десятки миллионов миллиардов поместятся в одном кубическом сантиметре. Это невозможно даже представить!
В нашем путешествии мы преодолеем это препятствие, уменьшившись до размеров бактерии, то есть примерно в миллион раз во всех трех измерениях. Другими словами, мы останемся такими, как есть, но все наше окружение увеличится в миллион раз. Увеличенная во столько раз Земля окажется гораздо дальше положения Солнца, лучу света понадобится более 18 часов для прохождения от одного полюса до другого, а клетка вырастет до размеров- большой аудитории. Теперь мы с вами можем остановиться на любой части клетки, привлекшей наше внимание, и различить отдельную ее деталь, вплоть до молекулы.