Человек: инструкция по сборке

 

 

История о самой первой клетке по имени Арчибальд, которая открыла секрет работы в команде, о маленьких червячках и о вопросе, почему у нас один набор генов, а все клетки совершенно разные.

 

Я с кряхтением несу к дому тяжеленные сумки с покупками тетушки Хедвиг. Она тянет за собой только чемодан на колесиках. Единственное, что в нем находится, – это топор, который она необычайно выгодно купила в магазине стройматериалов. Одному Богу известно, что она собирается с ним делать. Мы проходим мимо Венцеля Зумпера – нашего управляющего, которого боится весь дом. Он собирает сухие листья с газона и, когда я с ним здороваюсь, даже не оборачивается. Но, когда чемодан Хедвиг случайно съезжает с дорожки и заезжает одним колесом на траву, у него тут же прорезается голос: «Эй, немедленно уберите свой пенсионерский „Мерседес“ с моего газона! В воскресенье приедет инвестор и у меня тут должен быть полный порядок!» Все понятно: наш управляющий давно мечтает о том, чтобы у дома был новый хозяин. В этом случае можно поднять квартплату и основательно пересортировать всех жильцов. Если это произойдет, то нам и многим другим обитателям дома придется искать себе новое жилье. Плохо, конечно, но ничего не поделаешь. Кроме того, меня в данный момент волнует совсем другое: мои поясничные позвонки молят о пощаде и готовы рассыпаться на куски.

 

Хедвиг останавливается и молча смотрит на Зумпера. Сейчас она вступит с ним в одну из своих бесконечных дискуссий и преградит мне путь к спасительной двери. Обойти ее по траве

– это вообще не выход, потому что в этом случае Зумпер вцепится мне зубами в ногу.

– Это не газон, – вдруг изрекает Хедвиг. – Здесь растут маргаритки, значит, это лужайка, – и продолжает свой путь.

Когда дорожка немного расширяется, я быстро обгоняю ее. Возможно, мне еще удастся добраться до дому, не нажив себе грыжу. Остается последнее препятствие: восемнадцатилетний сосед с третьего этажа, который, как всегда, сидит на крыльце с наушниками, из которых доносится громкая музыка, и пытается одновременно переписываться со всеми своими друзьями в «Фейсбуке», которых у него не меньше ста пятидесяти. Я протискиваюсь мимо него, а он даже не реагирует, когда до отказа набитый пакет пролетает в миллиметре от его виска.

– Ты поднимайся, а мне тут надо еще уладить пару дел, – говорит Хедвиг и вынимает у парня наушники из ушей.

Он с трудом возвращается к реальности и смотрит на нее так, словно перед ним носорог в розовой балетной пачке. Потом за мной захлопывается дверь.

Наступает воскресенье. Раннее утро после ужасной ночи. По соседству кто-то устроил гулянку до самого утра, и я не мог уснуть. Вдобавок меня мучил вопрос, почему фрау Молль с четвертого этажа не вызовет наконец полицию, хотя во всех остальных случаях она делает это, не задумываясь… Ну да ладно. Я плетусь в пижаме в сторону ванной. И вдруг передо мной предстает Хедвиг. С топором в руке. Мне становится как-то тревожно. Не говоря ни слова, она выталкивает меня за дверь на лестницу и вкладывает в руку топор.

Я смотрю на этот гигантский инструмент, изготовленный, по всей вероятности, для того, чтобы в одиночку вырубить все джунгли в бассейне Конго. Хедвиг молча захлопывает за мной дверь. Я стою босиком на лестничной площадке и ничего не понимаю. Через стеклянную входную дверь подъезда мне виден Зумпер. Ковыляя по газону, он срезает все маргаритки. В этот момент на горизонте появляется фрау Молль на костылях. На спине ее платья видны два больших ярко-зеленых пятна. Она останавливается прямо перед входом, достает из сумки пейнтбольное ружье и целится в стену. Зачем? Я ничего не соображаю. Мне хочется опять лечь в постель.

Я слышу крик Зумпера, вижу, как он вырывает оружие из рук фрау Молль, прежде чем она успевает выстрелить краской в стену. Ив тот момент, когда он собирается повалить ее на землю, прямо на проезде для пожарных машин останавливается дорогая спортивная машина. Выходящий из нее мужчина, очевидно, и есть тот самый инвестор. Зумпер со всей напускной приветливостью машет ему рукой. Инвестор оценивающим взглядом смотрит на Зумпер а, размахивающего ружьем, а потом на старушку с пятнами на спине, которая с громкими криками удаляется в сторону заднего двора. Зумпер отбрасывает от себя ружье, словно гремучую змею, и многословно пытается успокоить гостя.

В этот момент открывается дверь квартиры на первом этаже, и на пороге появляется фрау Розеншток в халате. Бруках она держит полдюжины черных пластиковых мешочков. За фрау Розеншток семенит ее мопс Финн. Она поочередно открывает все мешки и расставляет их по лестничной площадке. Исходящий из них запах трудно описать. Слово «отвратительный» для этого слишком слабо. У меня перехватывает дыхание. Но мопс Финн от души радуется тому, что его «наследию» уделяется такое внимание. Фрау Розеншток улыбается мне, кивает и исчезает вместе с мопсом в квартире.

В это время на улице к ногам инвестора подкатывается пустая банка из-под Red Bull. Вслед за ней с заднего двора высыпает ватага подвыпивших юнцов, которые пытаются играть этой жестянкой в футбол. На некоторых из них можно разглядеть футболку с надписью «Хедвиг разрешила!». В толпе я вижу и парня с третьего этажа. Он широко улыбается и выглядит совершенно счастливым. Вся компания удаляется вслед за банкой, которая по широкой дуге летит в направлении улицы.

Инвестор брезгливо достает двумя пальцами из кармана костюма от Армани огрызок яблока, которым на ходу «угостил» его кто-то из юнцов, и выбрасывает. Зумпер выглядит совершенно растерянным и жестом приглашает его в подъезд. Я постепенно начинаю понимать, что тут затевается. Как только инвестор входит в подъезд, от вони у него начинают слезиться глаза. И пока он приходит в себя, держась за косяк двери, я изображаю на лице самую идиотскую улыбку Джека Николсона и начинаю колотить топором в дверь с криком: «Я пришел. Открыва-а-айте!»

Подведем итог. Во-первых, наш дом в течение ближайших нескольких лет никто не купит. Во-вторых, при должной мотивации спортивный автомобиль может даже в пешеходной зоне развивать максимальную скорость. В-третьих, господин Зумпер стал заметно тише и спокойнее. И, в-четвертых, остается только поражаться тому, как много можно добиться за счет сотрудничества.

 

То, что сотрудничество способствует прогрессу, мы уже выяснили в предыдущей главе: архея и бактерия объединились, чтобы образовать нечто совершенно новое. Неплохой результат. Получившийся в итоге организм может использовать гены двух абсолютно разных организмов, что создает для него новые возможности. Это можно проиллюстрировать на примере скрещивания собаки и почтового голубя. Возникшее в результате животное может не просто принести газету из соседнего киоска, но и доставить еще пахнущий типографской краской выпуск London Times прямо из столицы. Согласен, при ближайшем рассмотрении этот пример выглядит не слишком удачно. Первым эукариотам потребовалось, по-видимому, немало времени, чтобы правильно рассортировать свои гены и научиться в полной мере использовать их потенциал.

В ходе анализа нового набора генов в гибриде археи и бактерии наверняка выяснилось, что какие-то гены дублируют друг друга, а какие-то полностью бесполезны. Да и зачем бактериям полный комплект генов, если они находятся внутри клетки, которая может взять на себя значительную часть забот о них? Что обычно делают с лишним имуществом? Это известно. Все подвалы забиты ненужными вещами. Казалось бы, разумнее всего взять да и выбросить их! Прямо сейчас. Или завтра. Ну, или на следующей неделе… В большинстве случаев кучи хлама так и остаются на месте. То же самое происходит и с наследственным материалом, если только быстрое избавление от лишних вещей не влечет за собой каких-то очевидных и измеримых преимуществ (например, доставка сломанного телевизора в пункт приема негодной бытовой техники – задача не первой необходимости, а вот утилизация протекающей бочки с ядовитыми отходами – это уже очень срочное дело).

Но ненужные вещи необходимо выбрасывать. Им можно дать вторую жизнь: из изношенных шин сделать качели, из старых столовых приборов – оригинальные крючки на вешалку для одежды, а из пустых бутылок – ксилофон. Гены, которые больше не нужны для выживания, могут свободно и без всякого вреда для организма изменяться и в результате приобрести новую функцию, которая неожиданным образом улучшит существование живого организма. Но это касается только генов, не имеющих особой важности, поскольку в противном случае любое изменение может привести к немедленной смерти клетки.

Такая комбинация таит в себе большой потенциал, и из первых эукариотов возникли все сложные живые организмы, известные нам сегодня. Великий акт в жизненной драме!

Сцена первая  

Первичная клетка по имени Арчибальд уже довольно долго плавает по древним морям, размышляя о своих генах. И вдруг в голову Арчибальду приходит мысль.  

 

Арчибальд: Постойте-ка! С генами у меня все в полном порядке! Это же надо использовать. Я добьюсь мирового господства! Стану венцом творения! Или, по крайней мере, изобрету электронные часы. Мне все по силам!

Голос из ниоткуда: И как ты себе это представляешь, Арчибальд?

Арчибальд: Ну, э-э-э… Я буду становиться все больше и больше, пока не стану самым главным.

Голос из ниоткуда: Не выйдет.

Арчибальд: Как это не выйдет? Почему?

Голос из ниоткуда: Физика.

Арчибальд: А поподробнее нельзя?

Голос из ниоткуда: Потому, что ты – шар.

Арчибальд: Ты за базаром-то следи!

Голос из ниоткуда: Ну ладно, у тебя примерно шарообразная форма. Все дело в том, что тебе нужны питательные вещества, поступающие извне. Какое количество питания может к тебе поступить, зависит от площади твоей поверхности, а обмен веществ, то есть потребление питательных веществ, – от объема.

Арчибальд: И что?

Голос из ниоткуда: Если ты станешь вдвое больше, то поверхность увеличится в четыре раза, а объем – в восемь. Таким образом, чем больше ты становишься, тем сильнее будет сказываться дефицит питательных веществ. Кроме того, тебе все труднее будет удалять отходы.

Арчибальд: Все это слишком сложно. И не сулит ничего хорошего.

Голос из ниоткуда: И потом надо еще учесть проблему с твоими генами…

Арчибальд: Гены не трожь! Они в полном порядке!

Голос из ниоткуда: Разумеется, но они имеют свои пределы. Один ген может произвести за минуту определенное количество мРНК и белков. Если ты будешь становиться все больше, то в один прекрасный момент их не хватит.

Арчибальд: Ну, допустим, что это так… А как же тогда быть с мировым господством? Надо что-то делать.

Голос из ниоткуда: Физику не обманешь…

 

К счастью, когда надо искать обходные пути, жизни не откажешь в сообразительности и творческих способностях. Итак, что нам делать с проблемой, заключающейся в том, что по мере увеличения размеров организма поверхность для обмена веществ становится относительно все меньше? Формальное решение найти нетрудно. Возьмите, к примеру, эту книгу. Она лежит перед вами на столе в виде аккуратного параллелепипеда из бумаги. Если вам надо оптимизировать соотношение площади и объема, просто раскройте ее. Площадь при этом удвоится, а объем останется прежним (если вы читаете книгу в электронном варианте, вам, к сожалению, придется напрячь воображение, чтобы представить себе сказанное). А если вам понадобится еще больше увеличить площадь, приходящуюся на единицу объема, можно повырывать все страницы и с идиотским смехом разбросать по окрестностям. Вы получите солидный прирост площади, но книгу жалко, поэтому авторы настоятельно рекомендуют вам воздержаться от подобных действий.

В клетках эукариотов внешняя оболочка – это тоже далеко не все. Внутри размещаются мембранные структуры (эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи), которые участвуют в транспортировке белков из клетки. Так, например, здесь вырабатываются и готовятся на экспорт антитела иммунной системы. Мельчайшие пузырьки замыкаются в себе и отправляются в путь к поверхности клетки, где сливаются с мембраной. При этом их содержимое передается наружу. Таким образом, клетки располагают дополнительной мембраной, обращенной внутрь, которая значительно увеличивает площадь обмена. Это эффективный механизм, который позволяет иммунным клеткам производить примерно 120 тысяч антител в минуту для борьбы с возбудителями болезней (в порядке сравнения: скорострельность автомата АК-47 составляет 600 выстрелов в минуту).

Но если говорить о внешней форме клеток, то и здесь матушка-природа не поскупилась на выдумку. Не все клетки круглые. Они обладают самой разной формой, которая также может увеличить площадь. Например, поверхность клеток эпителия кишечника, усваивающих питательные вещества, имеет микроворсинки, благодаря которым их площадь значительно увеличивается.

Вторая проблема, связанная с ростом клетки, решается сложнее. Клетка должна располагать достаточным количеством генного материала для производства белков. Чем больше она по размеру, тем больше ее потребность в белках. Как жизнь решила эту дилемму? За счет организации!

Проведем небольшой мысленный эксперимент. Представьте себе, что эта книга – ген, а вы – белок, который должен прочитать этот ген (РНК-полимераза). Так уж получилось, что вы понятия не имеете о том, где в данный момент находится книга. Ее надо найти в квартире. И вот вы в этом бедламе перерываете все вдоль и поперек, но в конце концов находите. Теперь можно поудобнее устроиться на диване и углубиться в чтение, то есть заняться производством мРНК. Усложним эксперимент. Если ваша квартира площадью 80 квадратных метров соответствует бактерии, то клетка эукариота будет иметь размер крупного торгового центра, более чем в пять раз превышающего по объему гамбургский пассаж «Европа». Вот в нем-то и спрятана книга. Тому, кто хочет ее прочесть, придется как следует постараться.

К счастью, эукариоты не просто больше бактерий, но еще и лучше организованы. Их гены не разбросаны как попало, а сосредоточены в ядре. Поэтому в отделе галантереи и кафе-мороженое можно даже не искать. Вы идете сразу в книжный отдел. Согласен, он тоже занимает немалую площадь, но и книги в нем размещаются в строгом порядке. А те, которые никому не нужны, лежат в упаковках на складе.

Итак, ядро клетки устроено практично и упорядоченно. Благодаря мембране ядра, отделяющей наследственный материал от остального содержимого, клетка работает значительно эффективнее.

А если и этого недостаточно, то всегда имеется возможность увеличить количество копий гена. Люди и большинство представителей животного мира имеют два набора хромосом: один от отца, а второй от матери. Это уже дает нам две копии на каждую клетку (хотя на самом деле не в каждом гене используются обе копии). Некоторые гены, которые постоянно находятся в деле, в процессе эволюции научились размножаться с целью увеличения своей численности. В частности, это относится к генам рРНК. Они являются важной частью рибосом, то есть машин, производящих все белки клетки. Без них просто никуда, поэтому в нашем наследственном хозяйстве имеются сотни копий данных генов! Но самый экстремальный случай можно наблюдать в яйцеклетках некоторых амфибий: они не просто обзаводятся парой сотен генов рРНК, но и в случае необходимости размножают их на кольцевых участках ДНК. Как следствие, их количество может достигать нескольких миллионов. В результате гены рРНК могут занимать 70 процентов в составе ДНК в клеточном ядре. Когда начинается развитие эмбриона, эти кольца передаются клеткам потомства, и таким образом количество генов в клетке снова снижается до нормального уровня.

 

 

Страус является обладателем необычного двойного рекорда. Он несет самые большие яйца среди всех ныне живущих птиц, но они же являются самыми маленькими, если сопоставить их с размерами самого страуса. И действительно, чем крупнее птица, тем относительно меньше размер ее яиц. У курицы (например, у породы белый леггорн) масса яйца составляет 3,3 процента от массы птицы (50 граммов / 1,5 килограмма), а у страуса – всего 1,4 процента (1,4 килограмма / 100 килограммов). Но еще более разительным представляется соотношение массы тела матери и массы яйца у динозавров. Диплодок, длина которого доходила до 33 метров, а вес составлял от 10 до 16 тонн, откладывал яйца, по размеру не намного превышающие страусиные. Соотношение составляет около 0,01 процента. Если бы динозавры были размером с курицу, их яйца весили бы около 0,15 грамма.

 

Наши клетки во много раз превосходят бактерии по сложности и размерам. И это наводит на вопрос: а до какого размера вообще могут вырасти клетки? На него нельзя ответить однозначно, но несколько кандидатов на звание самой гигантской клетки мы вам все же представим.

Если говорить о длине клетки, то победителем здесь являются нейроны клетки нервной системы. Человеческие нейроны, простирающиеся от нижнего окончания спинного мозга до большого пальца ноги, могут достигать одного метра в длину. В мире микробиологии большой палец ноги – это ужасная глушь, находящаяся на невообразимом расстоянии. Вы только представьте себе: для поддержания энергии нейрона митохондрии необходимо доставлять до крайнего окончания клетки. Чтобы они вообще могли туда попасть, их тянут на себе специальные белковые волокна с максимальной скоростью около 1,7 сантиметра в час. Таким образом, чтобы добраться из одного конца клетки в другой, митохондрии приходится проводить в пути несколько дней. А теперь представьте себе, как это происходит у жирафа или голубого кита. Чтобы такие нейроны вообще могли функционировать, соседние клетки снабжают их питательными веществами и, возможно, даже мРНК (на этот счет ученые пока не пришли к единому мнению).

Самый большой диаметр среди человеческих клеток имеет женская яйцеклетка. Он составляет от 100 до 130 микрометров, и эти клетки можно видеть невооруженным глазом. По сравнению с другими они вообще выглядят гигантами. Яйцеклетки готовятся к оплодотворению и к тому, чтобы сразу после стартового выстрела начать деление. Для этого они предварительно запасаются всем необходимым на первое время, поскольку после оплодотворения у них не будет свободного времени для наращивания массы. У некоторых видов животных гигантская яйцеклетка в течение кратчайшего времени непрерывно делится. При этом новые клетки становятся все меньше в размерах, сохраняя практически изначальный общий объем.

Самая большая яйцеклетка, известная нам на сегодняшний день, – страусиное яйцо. Это и в самом деле всего одна клетка, имеющая ядро, мембрану ядра и гигантский запас продовольствия. Всю эту провизию она накапливает не в одиночку: ее ядро не справилось бы с производством такого количества белков. В этом ей оказывают помощь клетки печени.

Еще одна возможность роста клеток заключается в том, чтобы плыть против течения и не делиться, как все, а, наоборот, объединяться друг с другом. Такой способ предпочитают наши мышечные клетки. В процессе развития мелкие одиночные клетки сливаются друг с другом, образуя гигантские мышечные волокна со множеством клеточных ядер. Это дает им достаточное количество генного материала, чтобы при длине до 15 сантиметров работать в полную силу.

Этим же фокусом пользуются и некоторые одноклеточные организмы. Самым известным из них является водоросль-убийца Caulerpa taxifolia. Выглядит она вполне безобидно, словно ярко-зеленый ковер из мелких листочков, раскинувшийся на средиземноморском мелководье. Плохо то, что эта водоросль завезена сюда из других мест, несъедобна и вытесняет местные виды растений и животных. Как и мышечные клетки, она представляет собой одну слившуюся клетку с огромным множеством ядер. Этот одноклеточный организм, достигающий размера нескольких метров, приобретает формы, которые выглядят как листья и корни, хотя таковыми не являются. Иногда создается впечатление, что природа таким образом развлекается, испробуя самые абсурдные трюки.

Подведем итог. Существуют гигантские клетки, и природа постоянно находит обходные пути, чтобы обмануть физику. Но подавляющее большинство клеток имеют микроскопически малые размеры и не видны вооруженным глазом. Объединение крохотных клеток в большинстве случаев функционирует лучше, чем одна большая.

Сцена вторая  

Арчибальд, заметно раздавшийся в ширину, неуклюже дрейфует в толще воды.  

 

Голос из ниоткуда: Ну, приятель, как ощущения?

Арчибальд: Очень необычные.

Голос из ниоткуда: А я ведь тебе говорил, что простое увеличение в размерах ничего не даст…

Арчибальд: Ну говорил….

Голос из ниоткуда: Ты всего лишь чувствуешь себя раздутым. Арчибальд: Да хватит уже.

Голос из ниоткуда: И с координацией тоже проблемы возникают, если позволишь такое замечание.

Арчибальд: Не позволю.

Голос из ниоткуда: Тогда разреши хотя бы предупредить тебя. Арчибальд: Тебя ведь все равно невозможно заткнуть.

Голос из ниоткуда: Совершенно верно. К тебе там что-то движется… Арчибальд: Что там еще? (Бум!)

Арчибальд II: Извини, коллега, я тебя не заметил.

Арчибальд: Ничего страшного.

Голос из ниоткуда: Надо же, теперь вы еще и склеились. Арчибальд и Арчибальд II (хором): Да достал ты уже!

Голос из ниоткуда: Ну и ладно. Делайте теперь что угодно, господа…

(Через некоторое время)

Арчибальд II: Он уже ушел?

Арчибальд: Кажется, да… А мы теперь, значит, вместе?

Арчибальд II: Похоже на то… Можно еще пару приятелей пригласить.

Арчибальд: Гм, неплохая идея. У меня такое ощущение, что это начало крепкой дружбы!

 

Самые древние многоклеточные, о которых до нас дошли сведения, были простыми образованиями, не имевшими сложной структуры. Судя по сохранившимся окаменелостям, не всегда даже можно сказать, имеем мы дело с растением или животным. Сегодня нет ни одного организма, который можно было бы хоть отдаленно определить им в родственники.

Примерно 540 миллионов лет назад произошел Кембрийский взрыв. Начался период расцвета многоклеточной жизни. С головокружительной, с точки зрения палеонтологов и геологов, скоростью (всего за каких-то несколько миллионов лет), словно из ниоткуда, появилось бесчисленное множество видов сложных многоклеточных организмов. Это были золотые годы творения! У каждого из молодых, необузданных ученых имелось свое представление о том, как должен выглядеть успешный живой организм. Конечно, далеко не все из этих творений получили развитие. Так, например, в то время жила Hallucigenia – червеобразное творение на коротеньких ножках и с шипами на спине. Долгое время ее рисовали вверх ногами, потому что никто не знал, где у этого червяка верх, а где низ. Однако из проектов, которые выдержали проверку временем, выросло все многообразие многоклеточных, которое мы сегодня наблюдаем.

Причины этого взрыва до сих пор являются предметом споров. Возможно, здесь сошлось несколько факторов. Но основной предпосылкой, по всей видимости, стало появление новой системы генов, которая развилась у многоклеточных организмов в процессе становления. И эта система, в основе которой лежали так называемые гомеозисные гены, сотворила настоящее чудо: она определила, где у многоклеточных перед и зад, верх и низ, правая и левая сторона. Теперь клетки организма получили важную информацию: «Я нахожусь спереди!» или «Я в заднице». Как следствие, у живых организмов появились сложные планы по строительству собственного тела. Теперь они могли размещать органы чувств и конечности в самых оптимальных местах. Это существенно облегчает жизнь в целом и процесс надевания брюк и свитеров в частности.

Гомеозисные гены – обязательный компонент, имеющийся у каждого представителя животного царства. Они содержат инструкции по производству белков, которые хотя и отличаются друг от друга у разных видов животных, но имеют одинаковый фрагмент ДНК – гомеобокс (отсюда и название «гомеозисные»). Здесь закодирована часть белка, дающая гомеозисным белкам возможность удерживаться на последовательностях ДНК. Это как раз то место, где белки выполняют свою работу: контролируют множество других генов и определяют, какой вид будет иметь клетка, в которой они в данный момент активизируются. Особенно хорошо работа гомеозисных генов изучена у плодовых мушек дрозофил. Обычно различные гомеозисные гены расположены в наследственном материале группами, друг за другом. Их очередность соответствует тем обязанностям, которые возложены на них в организме. Первые отвечают за голову, а последние – за заднюю часть туловища. Если возникает какая-то путаница, то изменения в плане строительства могут оказаться катастрофическими. Так, например, мутация может привести к тому, что у мухи вместо усиков-антенн на голове вырастут ноги или появятся четыре крыла вместо обычных двух.

Сцена третья  

Арчибальд ползет по болотистой почве. Его внешний вид сильно изменился.  

 

Арчибальд: Ага, вот мы снова и встретились!

Голос из ниоткуда: Хм? Это ты? Я тебя и не узнал.

Арчибальд: Ничего удивительного. Я усиленно поработал над собой. Посмотри, что я умею! (Поворачивается вокруг своей оси.)

Голос из ниоткуда: Хм-м-м… Забавно.

Арчибальд: То-то. Я все-таки разгадал эту загадку. Простое увеличение в размерах ничего не дает. Все дело в кооперации. Я теперь многоклеточный.

Голос из ниоткуда: Да, это существенное усовершенствование.

Арчибальд: Усовершенствование? Да я венец творения! Я воплощение чуда жизни! Я шедевр биологии! Короче говоря, я…

Голос из ниоткуда: Червяк.

Арчибальд: Да, я такой! У меня даже рот есть! Вот, посмотри… А-а-а… Голос из ниоткуда: Хорошо-хорошо, можешь закрыть…

 

Простые круглые черви, или нематоды, вроде Арчибальда относились, пожалуй, к самым первым проектам многоклеточных животных. Процветают они и в наши дни. Червяк, с помощью которого мы многое узнали о строении сложных многоклеточных организмов, носит название Caenorhabditis elegans (элегантная новая палочка). Он имеет всего около миллиметра в длину и питается бактериями. Свою известность этот маленький червячок приобрел благодаря Сиднею Бреннеру, которого тоже нельзя причислить к гигантам. Бреннеру захотелось узнать, как развиваются органы и целые организмы, и в середине 1960-х годов он выбрал себе в качестве модели С. elegans. Решение оказалось на удивление правильным, так как в 2002 году Бреннер за свои исследования получил Нобелевскую премию.

Сидней Бреннер присутствовал при зарождении молекулярной биологии. Он как раз учился в докторантуре Оксфорда, когда Уотсон и Крик в соседнем Кембридже раскрыли тайну структуры ДНК. Затем Бреннер стал членом «Клуба галстуков РНК», а спустя 20 лет даже работал в одном кабинете вместе с Фрэнсисом Криком. У Бреннера был острый ум, не менее острый язык и еще более острое перо. Он был известен своей склонностью к каламбурам и игре слов. Говорят, что однажды он сильно озадачил одного бюрократа, когда тот начал рассуждать на свою любимую тему об оплате в зависимости от результатов труда, а Бреннер возразил, сказав, что ему больше нравится система, при которой результаты труда зависят от оплаты.

Когда самые серьезные вопросы с ДНК и РНК были разрешены, Бреннер и Крик обратились к новым темам. Оба хотели больше узнать о развитии многоклеточных организмов. Вот так Бреннер и занялся червем. Крик же взялся за изучение дрозофил, хотя это была очень сложная задача. Во всяком случае, Бреннер вспоминал, что Крик однажды изо всех сил швырнул на стол книгу со словами «Одному Богу известно, как действует этот имагинальный диск» (имагинальным диском называется область тела личинки дрозофилы, из которой появляются ноги, усики и т. п., – только не спрашивайте, как это происходит…). Бреннер отразил этот эпизод в коротенькой истории и опубликовал ее в своей колонке, которую на протяжении многих лет вел в одном из научных журналов:

Фрэнсис Крик оказывается у райских врат. Там его встречает апостол Петр, но Крик настаивает на том, чтобы его представили лично Всевышнему. После продолжительных переговоров его ведут в небольшой домик возле свалки на самом краю небес. Там что-то мастерит невысокий мужчина в комбинезоне с торчащим из заднего кармана гаечным ключом.

– Боже, перед вами доктор Крик, – представляет апостол. – Доктор Крик, это Бог.

– Очень рад с вами познакомиться, – говорит Фрэнсис. – Я хочу спросить у вас: как функционируют имагинальные диски?

– Ну, мы берем кое-что вон оттуда и добавляем пару других вещей… Вообще-то мы и сами этого точно не знаем… Но я должен вам сказать, что мы производим мух уже 200 миллионов лет, и до сих пор не было никаких жалоб!

Почему же Бреннер выбрал в качестве объекта изучения именно С. elegans? В его пользу говорят несколько факторов: у этого червя нет сердца и крови, он достаточно прозрачен, не имеет ни легких, ни скелета. Короче говоря, С. elegans весьма просто устроен, и в нем легче разобраться, чем в более сложных животных. Важным было и то, что этот круглый червь всегда состоит из одного и того же количества клеток, а именно из 959 для особи-гермафродита (самок у него не бывает) и 1031 для мужской особи. Дополнительные клетки сосредоточены преимущественно в нервной системе и заднем проходе. В целом это червь, но в нем можно подробно рассмотреть все клетки. Поэтому сегодня мы знаем, когда, где и каким образом появляется и развивается каждая из них. Существует даже своего рода план сборки С. elegans, в котором все подробно описано.

Перед вами краткий рецепт по изготовлению червя. Для этого вам понадобятся:

302 нейрона + 56 вспомогательных клеток нервной системы;

213 клеток кожи (некоторые из которых слились в многоядерные клетки); 152 мышечные клетки;

143 клетки половых органов;

34 клетки кишечника;

8 клеток заднего прохода

и еще 51 клетка других видов, которые мы в целях экономии места обозначим как прочие.

Раз ужу нас есть такой подробный перечень клеток, можно сразу заняться вопросом, почему они подразделяются на нейроны, мышечные клетки и т. д., хотя в каждой из них содержится один и тот же набор генов.

Причина различий между клетками заключается в том, что в наследственном материале заложены все возможные инструкции по строительству. Но для использования всегда выбираются те, которые соответствуют данному типу клетки. Все остальные гены упаковываются таким образом, что становятся недоступными. В ядре эту задачу выполняют гистоны – относительно небольшие молекулы белков, по внешнему виду похожие на катушку, на которую наматываются короткие фрагменты ДНК. При слиянии нескольких гистонов, обернутых ДНК, возникают все более крупные и упорядоченные структуры. Высшую степень упорядоченности представляют Х-образные хромосомы, которые можно наблюдать в момент деления клеток. Однако в обычных условиях порядки в ядре не столь строги и фрагменты ДНК, которые используются в данный момент, в значительной степени «распакованы», чтобы можно было считывать расположенные на них гены. Степень доступности гена регулируется химическими маркерами на гистонах и самой ДНК.

Эти маркеры, как правило, передаются по наследству от одной клетки к другой. Примерно так же обстояли дела в Средневековье: сын графа становился графом, а ребенок, родившийся в семье крестьянина, со временем брался за плуг, как и его отец (даже если по своим качествам вполне мог быть графом). Такой порядок наследования, имеющий отношение не к генам как таковым, а только к тому, как и когда они используются, называется эпигенетикой. Мы еще многого в ней не понимаем, хотя и очень хотелось бы. Например, ткани сердца и мозга почти не регенерируются после повреждений, а вот кожа или печень восстанавливаются намного лучше. Если мы как следует разберемся в эпигенетике, то, пожалуй, сможем сделать из крестьянина графа. В этом случае нам, возможно, удастся вылечить больное сердце и устранить последствия инсульта.

Но вернемся к нашему С. elegans. Мы достаточно хорошо представляем себе, для чего предназначены его 959 клеток. Но в процессе развития червя образуется 1090 клеток. Что же происходит с остальными? Ответ на этот вопрос ввергает нас в печаль: они убивают сами себя. Чтобы правильно функционировать, организму порой приходится избавляться от ряда собственных клеток. В развитии человека этот процесс тоже играет важную роль. В частности, он заботится о том, чтобы у нас не вырост хвост, как у обезьяны. Клетки, из которых он может образоваться, присутствуют в эмбрионе, но затем целенаправленно уничтожаются.

 

 

Еще одна загадка эпигенетики заключается в том, как наш образ жизни и опыт сказываются на программировании клеток. Можно ли передать эпигенетический опыт своим детям и внукам? Долгое время считалось, что эпигенетическое программирование полностью останавливается в самом начале развития эмбриона и каждый живой организм начинает свое существование с чистого листа. Однако за последние годы накопилось немало свидетельств того, что некоторые эпигенетические маркеры все же могут передаваться потомству и оказывать влияние на обмен веществ, склонность к онкологическим заболеваниям, возникновение депрессии и даже на такие сложные процессы, как обучение и память.

 

На более поздних стадиях жизни этот механизм не теряет своей значимости, например когда иммунная система уничтожает пораженные вирусом клетки, чтобы остановить размножение возбудителя болезни. Механизм запрограммированной смерти клеток называется апоптозом и действует с пугающей эффективностью. Все начинается с сигнала на самоуничтожение клетки. Он может поступить извне (например, от иммунной системы) или из самой поврежденной клетки, которая замечает, что у нее возникли какие-то проблемы. В подобных ситуациях в митохондриях, выполняющих роль электростанций в клетке, возникают «протечки реактора». В них образуются маленькие отверстия, и содержимое вытекает туда, где ему быть не положено. Это необычное происшествие будит спящие белки каспазы, которые до поры до времени мирно дремлют в клетке. Но стоит им только активизироваться, как проявляется их суровый нрав: они рвут клетку на части и тем самым активизируют все новые каспазы. Следующей в процесс активизации вступает дезоксирибонуклеаза, которая, проснувшись, начинает крошить в мелкие

клочья весь наследственный материал. Короче говоря, происходит цепная реакция разрушения и в кратчайшее время от клетки остаются только руины.

Сцена четвертая  

Арчибальд сидит в тине и задумчиво что-то жует.  

 

Голос из ниоткуда: Ну, Арчибальд, как жизнь? Тебе все еще нравится быть червем?

Арчибальд: Сойдет.

Голос из ниоткуда: Что-то не слышу особого восторга…

Арчибальд: Да уж. (Говорит нарочито писклявым голосом.) Здравствуйте, я Арчибальд, маленький червяк. (Переходит на нормальный голос.) Этим в наше время вряд ли кого-то можно поразить.

Голос из ниоткуда: Не могу не согласиться. Но что же делать?

Арчибальд (заговорщическим тоном): У меня есть секретный план: я превращусь в ВУММА! Ха-ха!

Голос из ниоткуда: В Вумма? А это еще кто такой?

Арчибальд: Я буду расти и расти, пока не стану стотонным мегамонстром. И меня будут звать ВУММ!!!

Голос из ниоткуда: Опять старые песни? Вспомни про физику.