Клеточные основы здоровья

Рафик Григорян

Мы ассоциируем болезни с травмами, микробной или вирусной атакой. Но есть болезни, которые развиваются исподволь и сопровождают старение. Причины этой разновидности болезней до сих пор не совсем ясны. Лишь новые знания генетики, молекулярной биологии и физиологии, усиленные методологией кибернетики и системной биологии проясняют глубинные механизмы и закономерности возрастных заболеваний. Научно-популярная книга, написанная в виде диалогов физиолога и инженера , ориентирована на любопытного читателя, желающего иметь целостное понимание закономерностей работы организма как специфического сообщества триллионов клеток 220 типов.

Беседа первая

Введение. Тело как сообщество специализированных клеток

— С чего начнем?

— Для того чтобы понять работу такого сложного естественного механизма, каким является человеческий организм, нужно правильное мировоззрение. Его краеугольным камнем является принятие факта эволюции. Причем, не только биологической эволюции, но и эволюции вселенной.

Схоластики сформулировали проблему курицы и яйца. В рамках простой логики эта проблема долгое время оставалась неразрешимой. Однако решение пришло с другой стороны — с теорией происхождения видов Чарльза Дарвина. Оказалось, что ни курица, ни яйцо не возникли в завершенном виде, а есть результат эволюции предшествовавших способов воспроизводства.

К сожалению, слово «эволюция» у многих ассоциируется лишь с теорией Дарвина. Те, кто не приемлет эту теорию, фактически являются противниками не только данной биологической теории, но и эволюции вообще. Между тем, все, что окружает нас, есть результат эволюции и продолжает эволюционировать. Кто изучал философию, знаком с утверждением Гегеля о том, что внутренние противоречия являются источником движения и развития. Переведя это утверждение на язык естественных наук, нетрудно увидеть, что статика может быть лишь временной, когда векторная сумма всех действующих сил равняется нулю. Однако процессы имеют инерцию. Поэтому в точке равновесия ничто не может находиться сколь-либо долгое время.

С открытием закона сохранения энергии стало ясно, что энергия может иметь разные формы. Их взаимные превращения не могут быть вечными, если нет внешнего источника для пополнения затраченных порций энергии. В этом состоит суть всех циклических процессов. Они известны в физике и химии. На них основаны фундаментальные биохимические трансформации. Даже всем так знакомый циклический акт сокращения сердца был бы невозможен, если бы в процессе диастолы (фазы расслабления сердечной мышцы) в клетках миокарда не были бы восстановлены потенциал покоя и возбудимость. Этот восстановительный процесс против естественных концентрационных и электрохимических градиентов между цитоплазмой и околоклеточной жидкостью поддерживается потому, что клетка использует специальные макроэрги, синтезированные предварительно. Жизнь, от ее зарождения до нашего появления, использовала разные доступные источники внешней энергии для того, чтобы энергетически поддерживать внутренние циклические процессы. Но было бы неверно сосредотачиваться исключительно на биологической эволюции. В противном случае возникает иллюзия, будто природа для того и создала механизм эволюции, чтобы в итоге сотворить нас — мыслящих существ.

Интеллект не единственное и не самое главное достижение эволюции. Жизненные формы долго и успешно существовали и размножались без интеллекта. Динозавры, хозяйничавшие на планете около 150 миллионов лет, не были одарены интеллектом. Зато у них были иные достоинства в борьбе за существование. Крокодил показывает еще более совершенную модель животного: разные виды крокодилов были до эры динозавров, сосуществовали с ними и пережили катастрофу конца юрского периода, уничтожившую все крупные экземпляры динозавров. Правда, иная ветвь динозавров, которых мы сегодня знаем как птиц, также пережили эту катастрофу и украшают современную фауну своими разноцветным оперением и формами. Более того, рядом с нами и другими животными, обладающими разными уровнями интеллекта, продолжают жить существа без каких-либо признаков интеллекта. Эволюция снабдила их достаточными механизмами для выживания в условиях перемен в среде обитания. Многие виды простейших пережили не одну биологическую катастрофу.

Установлено, что при всех известных крупных геологических сдвигах в первую очередь исчезали более сложно организованные виды. Нет никаких оснований считать, что мы — исключение. На сегодняшний день, наш интеллект не обезопасил нас ни от внешних катастрофических угроз, ни от угроз внутренних, ассоциированных с нашей животной сутью. Мораль и религия лишь отчасти смягчают цивилизационные противоречия. Но даже мораль и религия эволюционируют, хотя у этой эволюции иные внутренние движущие силы.

Сегодня мы знаем, что даже химические элементы таблицы Менделеева — продукт долгой эволюции материи, ее первоначальной энергетической формы. Хотя знания физиков об этой первоначальной субстанции лишь гипотетические, тем не менее, наука установила время, когда все началось. А началось это примерно 13,8 миллиардов лет тому назад с расширения очень плотной и загадочной формы материи (праматерии). Ее иногда представляют в виде особой формы плазмы.

Наука установила, что по мере расширения пространства и остывания плазмы постепенно сформировались глюоны и кварки, позже легшие в основу электронов и протонов. Взаимодействие протонов с электронами породило атом водорода. В космосе образовалось много атомов водорода. Гравитация постепенно сгущала облака водорода и, при определенной их плотности, локальная температура возросла настолько, что стали образовываться звезды и их системы, объединенные гравитацией.

В звезде против силы гравитации действуют силы расширения. Последние есть побочным продуктом температуры, которая растет при ядерных реакциях синтеза. Пока эти две силы в балансе, звезда устойчива. Ядерные реакции синтеза химических элементов идут вплоть до образования атома железа. Для синтеза более массивных атомов таблицы Менделеева нужна более интенсивная энергия. Она приходит на следующей фазе жизненного цикла звезды. Когда весь исходный запас водорода исчерпывается, нарушается указанный выше баланс противодействующих сил. Гравитация берет верх, звезда безудержно сжимается, со сближением атомов вещества его температура и давление стремительно растут. Звезда взрывается, на короткое время став сверхновой звездой. В этом процессе формируется ряд химических элементов, тяжелее железа.

С разорвавшейся звезды эти химические элементы разлетаются в космосе и перемешиваются с существующими там атомами водорода. При этом плотность материи в таких облаках распределена неравномерно. В местах наибольшей плотности гравитация сильнее. Там формируются сгустки материи, и процесс концентрации материи в них продолжается с нарастающей скоростью. Любой внешний толчок (например, ударная волна взрыва другой сверхновой звезды) служит инициатором образования новой звезды. Это уже звезда второго поколения. Вокруг нее из части атомарной материи получаются планеты.

Итак, есть планета, есть химические элементы. При определенном сближении этих элементов начинается химия — отдельные элементы, объединяясь, формируют химические соединения.

Напомню, что химия — это обобществление электронов на внешних орбитах составных атомов молекул. Для любой химической реакции синтеза нужна энергия.

Обращаю твое внимание на то, что согласно второму закону термодинамики, без подвода энергии все структуры со временем распадаются. Это касается и всех биологических макромолекул. Они постоянно ломаются на мелкие составляющие. Сколь-либо долгое существование любой биологической структуры, состоящей из кирпичиков — макромолекул, возможно лишь при повторном синтезе макромолекул со скоростью, адекватной скорости их распада. Это фундаментальное положение биохимии как дамоклов меч грозит существованию каждой нашей клетки и организма в целом.

— Подожди. Ведь второй закон термодинамики применим ко всему пространству. Как же жизни удалось обойти этот закон?

— Жизнь — явление локальное. Энергия, необходимая для конструирования сложных биологических макромолекул, черпается из ближайшего локального окружения.

— А как она там оказалась?

— Вопрос в точку! В случае земной жизни первоисточником энергии является Солнце. Но наука полагает, что переход химии в биологию, т. е. появление жизни, каким-то образом связано с аккумуляцией внешней энергии в виде химических связей. Их распад снабжает локальную внутриклеточную среду энергией, необходимой и достаточной для выполнения всех форм работы против второго закона термодинамики. В частности, для образования более сложных структур клеток из биохимических компонентов.

Замечу, что наука еще не знает, как сформировалась первая клетка. И мы еще не раз вернемся к вопросу об энергии. Вопрос об энергии и движущих силах — ключевой не только для понимания биодинамики. Он остается ключевым также в физике, когда исследуется динамика механических, электромагнитных объектов. Я убежден, что роль энергии в организме еще не до конца выяснена…

Как бы там ни было, важной вехой биологической эволюции стало то, что некий ранний представитель жизни (полагают, архаичный организм цианобактерия, или сине-зеленая бактерия) был первой клеткой, освоившей химическую реакцию превращения энергии солнечного света в специальные макромолекулы — углеводы. Эти запасенные молекулы далее служат внутриклеточным источником энергии.

Современная биология не может доказательно рассуждать о том, сформировалась ли эта клетка-праматерь жизни на Земле из химических элементов нашей планеты, или местом ее рождения является не Земля. У цианобактерии нет ядра, но есть ряд примечательных особенностей, сыгравших ключевую роль в том, что мы с тобой существуем. Прежде всего, нужно отметить, что цианобактерии в процессе своего метаболизма производят побочный продукт — кислород. Еще долгое время на ранней Земле кислород был ядом для микроорганизмов.

У цианобактерии нет митохондрий. Митохондрия — это такая органелла в наших клетках, которая, наряду с другими ингредиентами, использует кислород для синтеза специальных молекул — аккумуляторов энергии. Их еще называют макроэргами. Наиболее мощный из них — это молекула аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Мы о ней позже подробнее поговорим. Здесь лишь отметим, что АТФ является универсальным поставщиком энергии во всех наших клетках, а также во всех эукариотах (клетках с ядром) и многоклеточных организмах.

— А откуда взялась клетка?

— По этому поводу дискуссии в биологии продолжаются. Известно, что все формы жизни основаны на клетке. Как она появилась, неизвестно. Одна из гипотез полагает, что она возникла при каких-то благоприятных условиях на Земле в водной среде, богатой макромолекулами. Есть также гипотеза панспермии. Согласно ей, возраста Земли недостаточно для того, чтобы химия породила биологию. Гипотеза панспермии предполагает, что жизнь в виде одноклеточного организма занесена на Землю из космоса с объектами, которые гораздо старше Земли.

Как бы там ни было, известно, что на нашей планете много видов одноклеточных организмов сосуществуют с множеством видов многоклеточных организмов. Согласно современным представлениям, базирующимся на генетике, все биологические объекты на Земле относятся к единственному древу жизни. А сама жизнь как уникальное явление, поддерживающееся уже примерно четыре миллиарда лет, обязана важной способности — умению воспроизводить себя путем деления (митоз).

Тут я хочу прервать краткое изложение эволюции жизни и сделать важную заметку о том, что такое клетка.

Клетка — это некая обособленная область пространства, внутри которой происходит специфический, самоподдерживающийся процесс синтеза специализированных органелл, согласованное функционирование которых позволяет черпать энергию и строительные химикаты извне и перерабатывать их для обеспечения трех основных функций жизни: 1) роста; 2) размножения путем митоза (деления); 3) реагирования на внешние стимулы. Саму совокупность химических реакций внутри клетки обобщенно называют термином метаболизм.

Тебе должно быть известно, что самоподдерживающиеся циклические процессы имеют место и в физике и химии.

— Да, я когда-то читал про реакцию Белоусова. По крайней мере, помню, что он наблюдал, как спонтанно циклически меняется цвет жидкости. Я даже читал о том, что Алан Тьюринг, которого все мы знаем как теоретика компьютеров, написал специальную книгу, в которой объяснял узоры на теле животных случайными процессами, похожими на реакцию Белоусова. Наконец, я также читал, что процесс образования кристаллов некоторые специалисты рассматривают как предтечу жизни.

— Я рад такой твоей осведомленности. Но мне хотелось бы вернуться к клетке.

Структурно клетка отделена от внешнего пространства клеточной мембраной. Она проницаема для мелких химических элементов, воды и ионов, но непроницаема для относительно крупных химических молекул. В ней имеются специальные воротные механизмы из белков. У них есть два положения: открытое и закрытое. В закрытом положении мембранных ворот внутренняя часть (протоплазма с плавающими в ней органеллами) содержит все необходимое для поддержания метаболизма клетки.

Вообще, есть две разновидности клеток — безъядерная (прокариоты) и с ядром (эукариоты). Наши клетки относятся к эукариотам. Но некоторые клетки (например, клетки крови) во взрослом состоянии лишены ядра.

В ядре клетки находится наследственный аппарат — ДНК. У человека ДНК состоит примерно из 25 000 генов. Вся ДНК фрагментирована на неравные части в виде хромосом. У нас их 23 пары (т. е., 46 хромосом).

Число хромосом никак не связано со сложностью организации биологического объекта. Для подтверждения этой мысли приведу лишь несколько примеров. Наибольшее количество хромосом имеется у беспозвоночного морского животного радиолярия — 1600, у растения папоротника их 1200. Наименьшее — у одного вида муравьев (две у самки, одна у самца). У гороха (именно на нем Грегор Мендель открыл законы наследственности) число хромосом равно 12, у риса — 54, у кошки — 38, у собаки — 78, у коровы — 120. У наших ближайших родственников — шимпанзе и горилл — 48, у макак — 42.

На уровне ДНК генетические различия между разными людьми в 10 раз меньше, чем различия между человеком и шимпанзе. Генетические различия между мужчиной и женщиной обусловлены наличием Y-хромосомы у мужчин. В ней помещается всего 25 генов (в Х-хромосоме — от тысячи до полутора тысяч генов).

Не в обиду нам, мужчинам, будь сказано, что у женщин на 15–20 % больше серого вещества (нейронов) мозга. Хотя масса мозга у женщин, как правило, меньше, чем у мужчин, показатель интеллекта, определяемый в психологических тестах, не ниже. Просто мозг женщины в меньшем объеме содержит больше активных элементов. Зато у мужчин есть два других преимущества: больше белого вещества и внутримозговой жидкости. Белое вещество — межнейронные «кабели» — позволяют лучше распределять задачи между разными отделами мозга. Внутримозговая жидкость, содержащаяся в желудочках мозга, амортизирует удары по голове. Нашим предкам это качество было нужнее, чем нам с тобой!

Таким образом, число хромосом скорее указывает на зигзаги пройденного эволюционного пути организма, чем отражает его организационную сложность. Это утверждение тем более ценно в связи с тем, что большинство генов вида, в том числе наших, не являются активными, т. е. не кодируют белки. Дискуссии относительно эволюционной роли молчащих генов не утихают.

— А что такое митохондриальные болезни, и почему они передаются только по материнской линии?

— Я собирался о митохондриях поговорить другой раз. Но раз уж вопрос задан — отвечаю.

Митохондрии — это органеллы, в которых есть собственные гены. В мужской половой клетке — сперматозоиде — митохондрий очень мало, и то они лишь служат для того, чтобы сперматозоид получал энергию, необходимую для того, чтобы, крутя хвостиком-мотором, доплыть до яйцеклетки. Зато в яйцеклетке довольно много митохондрий. В процессе образования всех специализированных клеток тела из оплодотворенной яйцеклетки (зиготы), а также при всех последующих актах митоза унаследованные от яйцеклетки митохондрии предварительно удваиваются и передаются дочерней клетке. Это что касается сути наследования митохондриальных генов.

Прежде чем перейти к митохондриальным заболеваниям, замечу о любопытном генетическом исследовании, проведенном после того, как в начале XXI века геном человека был расшифрован. Исследование проводилось с привлечением людей обоих полов всех рас и этнических групп. Оказалось, что все ныне живущее человечество — это потомки одной женщины (ее назвали митохондриальной Евой), жившей в центральной Африке около 200 тысяч лет до нас. Из этого также следует, что те митохондриальные болезни, которые проявляются лишь в отдельных этнических группах, являются результатом поздних мутаций.

— Забавно, а был ли Y-хромосомный Адам?

Конец ознакомительного фрагмента.