Еще одно вещество в промежутках между клетками кости есть самый обычный белок во всем человеческом организме. Если мы рассмотрим препарат кости под электронным микроскопом при увеличении в 10 тысяч раз, мы увидим что-то вроде канатов, сплетенных из пучков белковых волокон. Это вещество называется коллагеном, и не только строение, но и механические свойства делают его похожим на канат. Канат относительно прочен на растяжение, но легко поддается сжатию и сгибанию (представьте себе, что случится, если две команды, перетягивающие канат, побегут друг навстречу другу). Подобно канату, коллаген оказывается прочным, если его растягивать, но податливым, если сгибать.
Кости состоят из клеток, окруженных морем гидроксиапатита, коллагена и некоторых других веществ, присутствующих в меньшем количестве. Некоторые из клеток соединены друг с другом, другие целиком окружены этими материалами. Прочность кости на растяжение определяется коллагеном, а прочность на сжатие — гидроксиапатитом.
Хрящи — еще одна составляющая наших скелетов — ведут себя несколько иначе. Именно хрящи образуют те гладкие поверхности, которые позволяют соединенным костям во время пробежки скользить друг относительно друга. Безупречная работа коленного сустава, как и большинства других суставов, которыми мы пользуемся, совершая пробежку, зависит от относительной мягкости и упругости хрящевой ткани в этих суставах. Если сжать здоровый хрящ, а затем отпустить, он вновь вернется к своей первоначальной форме, подобно губке для мытья посуды. Каждый раз, когда мы во время пробежки касаемся ступней земли, вся масса нашего тела на некоторой скорости врезается в землю. Если бы кости у нас в суставах не были защищены хрящевыми колпачками, они с силой терлись бы друг о друга. Именно это происходит при некоторых формах артрита: хрящи в суставах атрофируются, и движения оказываются затруднены.
Мягкость и упругость хрящевой ткани определяются ее микроскопическим строением. В хрящах, которые расположены в наших суставах, клеток довольно мало, и эти клетки разделены большим количеством заполняющего межклеточное пространство вещества. Как и в случае с костной тканью, прежде всего именно свойства этого межклеточного наполнителя и определяют механические характеристики всей ткани.
В хрящевой ткани (как и во многих других тканях нашего тела) межклеточное пространство во многом заполнено коллагеном. Упругость же хрящу придает другое вещество — одно из самых необычных во всем нашем организме. Это вещество, которое называется протеогликан, делает хрящ упругим и устойчивым к сжатию. Комплекс молекул протеогликана напоминает большую трехмерную щетку с длинной ручкой и множеством маленьких ответвлений. Такие комплексы можно даже увидеть под микроскопом. Это вещество обладает удивительным свойством, которое и дает нам возможность ходить и бегать. Дело в том, что тонкие ответвления протеогликанового комплекса охотно соединяются с водой. Благодаря этому протеогликан легко пропитывается немалым количеством воды, образуя что-то вроде студня. Если сделать студень, внутри и вокруг которого будут густой сетью переплетены нитки (они соответствуют коллагену), такой студень будет одновременно довольно мягким, упругим и относительно устойчивым к растяжению. Примерно так и устроена хрящевая ткань. Она служит прекрасной прокладкой между костями там, где они соединяются, то есть в суставах. Роль клеток хрящевой ткани состоит в том, чтобы выделять эти вещества по ходу роста организма и поддерживать их запасы после того, как рост закончится.
Соотношение различных межклеточных материалов во многом и определяет различие механических свойств костей, хрящей и зубов. Зубы — структуры очень твердые, поэтому вполне предсказуемо, что в составе их эмали много гидроксиапатита и мало коллагена. В костной ткани содержится несколько больше коллагена и меньше гидроксиапатита. Поэтому кости не так прочны, как зубы. В составе хрящевой ткани много коллагена, а гидроксиапатита нет, но зато есть много протеогликана. В результате хрящевая ткань — самая мягкая из тканей нашего скелета. Правильное строение и работа скелета во многом определяются содержанием этих веществ во всех его структурах в определенных правильных соотношениях.
Но какое все это имеет отношение к происхождению наших тел? У всех животных есть одно общее свойство, независимо от того, есть у них скелет или нет: все они, даже самые примитивные, наделены определенными веществами, которые заполняют пространство между клетками, а именно определенными разновидностями коллагена и протеогликана. Особую роль среди этих веществ играет коллаген. Это самый распространенный белок в организмах животных: на него приходится более 90 % массы всех белков в организме. Построение многоклеточных тел, которое началось в далеком прошлом, было бы невозможно, если бы не возникло такое вещество.
Еще одна очень важная для нашего тела особенность состоит в том, что его клетки должны уметь соединяться и общаться друг с другом. Как соединяются друг с другом клетки кости и откуда клетки в разных ее частях знают, что им нужно вести себя по-разному? Ответ на этот вопрос позволяет во многом понять, как устроен наш «арсенал для бодибилдинга» — то есть инструментарий, позволяющий строить наши тела.
Клетки кости, как и все другие клетки нашего тела, соединяются друг с другом при помощи тонких молекулярных заклепок. В нашем организме есть множество разных заклепок такого рода. Некоторые из них соединяют клетки так, как клей соединяет ботинок и его подошву: одна молекула закреплена на наружной мембране одной клетки, а другая — на наружной мембране другой клетки. Этот клей, прикрепляясь к мембранам обеих клеток, обеспечивает им устойчивое соединение.
Другие молекулярные заклепки столь разборчивы, что присоединяются избирательно, лишь к заклепкам того же типа. Это очень важное свойство наших организмов, которое во многом обеспечивает фундаментальные особенности его строения. Такие избирательные заклепки помогают клеткам определенного типа безошибочно находить друг друга. Благодаря им клетки костной ткани соединяются с другими клетками костной ткани, клетки кожи — с другими клетками кожи и так далее. Эти заклепки позволяют формировать наши тела без какой-либо дополнительной информации. Если мы возьмем некоторое количество клеток нескольких разновидностей, каждая из которых обладает определенным типом таких заклепок, и оставим их расти на питательной среде, эти клетки сами сформируют скопления, состоящие из клеток одной разновидности. Одни могут собраться в шарики, другие — в пластинки, и все они будут отсортированы по типу заклепок.
Но, пожалуй, самый важный тип связей между клетками — это связи, позволяющие им обмениваться друг с другом информацией. Правильное строение нашего скелета, да и всего нашего тела, возможно только благодаря тому, что формирующие его клетки умеют правильно себя вести. Для этого они должны уметь правильно делиться, производить определенные вещества и вовремя умирать. Если бы, к примеру, клетки костной ткани или клетки кожи вели себя как попало — например, делились слишком часто или умирали слишком редко, — мы вырастали бы уродами или не вырастали вовсе, а погибали на ранних стадиях развития.
Клетки общаются друг с другом, пользуясь «словами», записанными на молекулах, которые передаются от клетки к клетке. Передавая друг другу такие молекулы, соседние клетки могут как бы разговаривать. Вот один из простейших примеров такого межклеточного общения. Одна клетка подает сигнал — выделяет молекулы определенного вещества. Эти молекулы прикрепляются к наружной оболочке, то есть мембране, соседней клетки, для которой и предназначен этот сигнал. Прикрепление таких молекул к мембране запускает цепную реакцию молекулярных взаимодействий, которые передают сигнал от мембраны внутрь, часто даже в ядро получившей сигнал клетки. Напомню, что внутри клеточного ядра хранится генетическая информация. Переданный в ядро сигнал может включить или выключить определенные гены. В итоге клетка, получившая сигнал, изменит свое поведение. Этот сигнал может заставить ее умереть, разделиться или начать производить какие-то новые вещества.
Вот что, в первом приближении, и делает возможным существование наших тел. У всех животных в узком смысле, то есть многоклеточных, имеются структурные молекулы, такие как коллаген и протеогликан, имеется набор молекулярных заклепок, позволяющих клеткам соединяться друг с другом, и имеется молекулярный инструментарий, позволяющий клеткам общаться друг с другом.
Теперь у нас есть поисковый образ, необходимый, чтобы разобраться в происхождении наших тел. Чтобы понять, как наши тела возникли, нам нужно найти все три перечисленных выше типа молекул у самых примитивных животных на планете, а затем постараться отыскать что-то похожее у одноклеточных организмов.
Теперь у нас есть поисковый образ, необходимый, чтобы разобраться в происхождении наших тел. Чтобы понять, как наши тела возникли, нам нужно найти все три перечисленных выше типа молекул у самых примитивных животных на планете, а затем постараться отыскать что-то похожее у одноклеточных организмов.
Бодибилдинг для капель
Что общего между телом профессора и каплей? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте рассмотрим самых примитивных животных, обитающих сегодня на нашей планете.
Одно из них не только очень просто устроено, но и по-прежнему во многом загадочно: его очень редко наблюдали в природе, и даже все стадии его жизненного цикла так до сих пор и не удалось проследить. В конце восьмидесятых годов XIX века на стеклянной стенке аквариума один ученый обнаружил удивительно простой организм. Он не был похож ни на одно известное животное и напоминал бесформенный комок или кляксу. Единственное, с чем его можно сравнить, — это бесформенный инопланетный монстр из фильма «Капля» («The Blob» со Стивом Маккуином). Этот монстр представляет собой загадочную бесформенную массу, занесенную на Землю из космоса. Он обволакивает и переваривает своих жертв — собак, людей, а затем даже целые ресторанчики в небольших пенсильванских городках. Пищеварительные органы у этого монстра где-то на брюшной стороне (правда, в фильме их не показывают, но попадающие туда люди издают душераздирающие крики). Если уменьшить этого монстра до двух миллиметров в диаметре — так, чтобы его тело состояло лишь из нескольких сотен клеток, — мы получим нечто очень похожее на этот вполне реальный земной организм, получивший название трихоплакс. У трихоплакса есть только четыре типа клеток, а тело по форме напоминает не то комок, не то кляксу. И все же это настоящее тело. Некоторые из клеток брюшной стороны специализируются на пищеварении, другие наделены жгутиками, биение которых помогает трихоплаксу двигаться. Питаются трихоплаксы в основном водорослями и бактериями. Точно не известно, насколько широко он распространен, но его находили в нескольких морях в разных концах Земли. Хотя мы по-прежнему многого не знаем об этих животных, известно, что у них есть одно исключительно важное свойство. Как бы просто ни был устроен организм, между его частями уже существует отчетливое разделение труда.
Многие интересные особенности наших тел можно наблюдать и у трихоплакса. Тело трихоплакса — настоящий многоклеточный организм, хоть и примитивно устроенный. Изучая ДНК трихоплакса и молекулы, находящиеся на поверхности его клеток, мы убеждаемся, что у него уже имеется значительная часть нашего набора для бодибилдинга. У трихоплакса есть определенные молекулярные заклепки, соединяющие клетки, а также средства для общения клеток, похожие на те, что присутствуют и в наших собственных телах.
Наш набор для построения тела можно найти в бесформенных комках, устроенных еще проще, чем некоторые из древних ископаемых, открытых Реджинальдом Сприггсом. Можем ли мы пойти еще дальше, перейти к организмам с еще более примитивными телами? По-видимому, да. Обратимся к существам, тела которых с давних пор использовали для мытья, — к губкам. На первый взгляд, в губке мало примечательного. Значительную часть тела губки составляют опорные структуры, состоящие из силикатов (веществ, близких к стеклу) или карбоната кальция (твердого материала, из которого состоят раковины моллюсков), переплетенных с некоторым количеством коллагена. Вот это-то и делает губок интересными. Вспомним, что коллаген — важнейший материал наших межклеточных пространств, скрепляющий многие клетки и ткани нашего организма. По виду губок этого не скажешь, но у них уже есть один из отличительных признаков настоящих многоклеточных организмов.
В начале XX века Генри ван Питере Уилсон, исследовавший губок, показал, насколько они на самом деле удивительны. В 1894 году Уилсон поступил на работу в Университет Северной Каролины, став первым профессором биологии этого университета. Он вырастил здесь целую плеяду выдающихся американских биологов, работы которых во многом определили ход развития генетики и клеточной биологии в Северной Америке на протяжении XX века. Еще в молодости Уилсон решил посвятить свою научную деятельность именно изучению губок. Один из его экспериментов показывает по-настоящему удивительное свойство этих на первый взгляд простых организмов. Уилсон пропускал тело губки через сито, превращая его в набор отделенных друг от друга клеток. Затем он помещал эти похожие на амеб, совершенно отдельные клетки в стеклянную чашку и наблюдал за ними. Поначалу они просто ползали по дну чашки. Затем произошло нечто удивительное: они стали группироваться. Сперва из них образовались бесформенные красноватые шарики. Затем эти шарики стали более упорядоченными: упакованные в них клетки стали образовывать регулярные структуры. Уилсон увидел, как почти с нуля собирается живой организм. Если бы мы могли делать то, на что способны губки, то с попавшим в дробилку и размолотым на кусочки героем Стива Бушеми из фильма братьев Коэнов «Фарго» все было бы в порядке. Этот опыт даже мог бы пойти ему на пользу, ведь клетки, собравшись вместе, могли бы образовать несколько его копий.
Именно клетки губок делают этих животных полезным орудием для изучения происхождения наших тел. Внутри тела губки обычно находится полость, которая может быть по-разному разделена на отсеки, в зависимости от вида губки. Через эти отсеки протекает вода, приводимая в движение клетками совершенно особого типа. Выглядят эти клетки как бокалы на толстых ножках, направленных внутрь тела губки. Из бокала торчит длинный жгутик, биение которого и приводит в движение воду. На стенках бокала, образованных микроворсинками, оседают различные частицы, которые клетка может поглощать и переваривать. С помощью этих клеток губка пропускает сквозь свое тело воду, которая вначале поступает в центральную полость, а затем растекается по отсекам и выходит через поры наружу. По ходу движения воды сквозь организм губки из воды отфильтровываются пищевые частицы. Другие клетки, расположенные в теле губки глубже, участвуют в переваривании поглощенной пищи. Клетки еще одного типа образуют наружные покровы губки и могут сокращаться, меняя форму ее тела. Эта способность помогает губкам успешно фильтровать воду, когда направление ее потоков меняется.
Губка мало похожа на большинство знакомых нам животных, но она уже обладает многими важнейшими признаками многоклеточного организма: между ее клетками есть разделение труда, эти клетки способны общаться друг с другом и совокупность большого числа клеток ведет себя как единый организм. Строение губки упорядочено: разные клетки находятся на разных местах и выполняют разную работу. Конечно, телу губки далеко до тела человека, в состав которого входят триллионы определенным образом расположенных клеток, но тела губки и человека обладают некоторыми общими свойствами. Особенно важно, что у губок уже имеется значительная часть нашего инструментария, обеспечивающего сцепление клеток, их общение и построение из них тканей многоклеточного организма. Губки — настоящие многоклеточные, хотя и очень примитивные и обладающие довольно слабо упорядоченным строением.
Мы тоже, подобно трихоплаксам и губкам, состоим из многих клеток. У нас, как и у них, между разными клетками и структурами тела есть разделение труда. И у нас и у них есть все элементы молекулярного аппарата, который скрепляет клетки в единый организм: соединяющие заклепки, различные инструменты для передачи сигналов от клетки к клетке и ряд веществ, молекулы которых заполняют пространство между клетками. У трихоплаксов и губок даже есть коллаген, как и у нас — и у всех остальных животных. Но, в отличие от нас, трихоплаксы и губки обладают довольно примитивными вариантами всех этих признаков. Например, вместо наших двадцати двух типов коллагена у губок есть только два, а молекулярных заклепок у них не сотни типов, как у нас, а во много раз меньше. Губки устроены проще, чем мы, и имеют намного меньше типов клеток, но основные инструменты из набора для построения тела у них уже есть.
Трихоплаксы и губки относятся к самым простым из многоклеточных организмов, живущих в наши дни. Чтобы пойти еще дальше, теперь нам нужно искать то, что позволяет строить наши тела, у существ, вообще не обладающих многоклеточным телом, — у одноклеточных микробов.
Как сравнить одноклеточный организм микроба с многоклеточным организмом животного? Имеются ли у одноклеточных инструменты, позволяющие строить многоклеточные тела? Если имеются, но не служат для построения тел, то для чего они нужны?
Самый прямолинейный способ искать ответ на эти вопросы состоит в том, чтобы изучить гены микробов и попытаться найти в них общие черты с генами животных. Самые первые сравнения геномов (то есть совокупностей всех генов организма) животных и микробов показали, что у многих одноклеточных отсутствует значительная часть генов, которые у многоклеточных обеспечивают соединение, взаимодействие клеток и прочее. Результаты некоторых исследований, казалось, свидетельствовали о том, что более восьмисот веществ, синтезируемых за счет работы таких генов, имеются только у настоящих животных, то есть многоклеточных, и отсутствуют у одноклеточных. Эти результаты как будто подтверждали предположение, что гены, позволяющие объединять клетки в многоклеточный организм, возникли одновременно с многоклеточностью. На первый взгляд казалось довольно логичным, что инструменты для построения многоклеточных тел появились именно тогда, когда появились и сами такие тела.