ЧТО ЕСТЬ ЖИВОЕ?
Г. ФРАНК, АКАД.
Явления жизни на разных уровнях ее структурной организации.
Академик Г. ФРАНК, директор Института биофизики АН СССР.
Живая система необычайно сложна. Клетка - простейший кирпичик жизни. Однако едва ли найдется другая функционирующая система такой же сверх сложности и такого же невероятного множества составляющих ее разнообразных элементов. В последнее время успехи физического, и химического исследования жизненных процессов привели к тому, что мы имеем возможность не только наблюдать и удивляться необычайным жизненным проявлениям, но, и досконально их изучать. В этом изучении большое значение имеет аналитический подход к определению структуры и свойств элементов, составляющих живое.
Мы видим, как особенности органических молекул используются в «конструкции» живого. Мы видим, как из этих конструкций
«монтируется» саморегулирующийся аппарат жизни - клетка, и, как, построенный из многих клеток, функционирует живой организм. В этой системе постепенного усложнения уровней организации - от молекулы до многоклеточного организма - на каждой новой ступени рождается новое качество, несвойственное предыдущему уровню, и в то же время используются замечательные свойства простых компонентов, лежащих в основе более сложных систем.
Рассматривая структурные, и функциональные уровни организации субстрата, из которого построено все живое, можно попытаться классифицировать эту организацию - разумеется, условно, в виде шести уровней.
ПЕРВЫЙ УРОВЕНЬ - это материал, из которого состоит любая живая система, в первую очередь макромолекулы белка и нуклеиновых кислот (сюда же следует отнести другие, в частности низкомолекулярные вещества, и их простейшие комплексы).
Живая система функционирует только потому, что определенными свойствами наделены те макромолекулы, которые составляют ее основной материал. Кстати, именно эти свойства дают нередко повод наделять такие макромолекулы свойствами живого. Мне вспоминается статья в одном из популярных изданий, названная «Живые молекулы». Но разве может быть молекула, строго говоря, живой? Это неверно и с философской, и с элементарной естественнонаучной точки зрения. Все, что мы теперь досконально знаем о структуре и замечательных свойствах биологически важных макромолекул, не позволяет нам называть их живыми несмотря на то, что макромолекулам присущи некоторые черты живого, они не обладают всей совокупностью признаков, которые характерны для живого.
ВТОРОЙ УРОВЕНЬ организации можно бы назвать действующей химической системой.
Здесь речь идет уже не о некой характеристике однородного неподвижного - статического - материала, а о работающих и, главное, взаимодействующих молекулах разного «сорта», например, ферментах, видоизменяющих (превращающих) другие молекулы.
Достижения современной науки позволяют воспроизвести в искусственных условиях (вне организма) некоторую цепь ферментных систем, в которых уже проявляются начальные, самые элементарные принципы регуляции процесса, когда, например, продукты реакции влияют на активность исходного, «материнского» вещества. Более того, искусственно, при наличии соответствующих ферментов, и матриц - молекул нуклеиновой кислоты - можно провести вне организма репликацию (воспроизведение) этой нуклеиновой кислоты.
Уже на этом уровне необходимо отбросить теологические взгляды на живое, как на максимально целесообразную систему действительно, с одной стороны, мы имеем, казалось бы, удивительную надежность системы, а с другой - видим, как замена лишь одного нуклеотида в цепи ДНК вызывает подчас летальные мутации (то есть такие изменения генного аппарата, которые ведут организм к гибели). Возьмем для примера молекулу гемоглобина различных живых существ. Известно, что в субъединице гемоглобина комара и человека всего лишь 7 одинаковых аминокислот, и тем не менее и там, и там трехмерная структура, то есть вся конструкция молекулы и соответственно ее функция - функция переносчика кислорода, - остается неизменной. В то же время стоит заменить только одну аминокислоту - лейцин на аминокислоту - пролин, но заменить строго в определенном месте молекулы гемоглобина человека, как это вызовет изменение функции молекулы.
Таково далеко идущее противоречие между структурными изменениями и функцией, и тем не менее химические системы, работающие даже на самом сложном уровне, нельзя еще назвать живыми.
ТРЕТИЙ УРОВЕНЬ организации жизни - внутриклеточные органеллы, и частицы.
Благодаря успехам цитологии прошлого, пользовавшейся световой микроскопией, и успехам современной субмикроскопической морфологии мы теперь знаем, что живая клетка содержит большой набор внутриклеточных органелл и частиц. Это, например, такие давно известные органеллы, как ядра клеток, и открытые сравнительно недавно частицы - рибосомы, которые скорее являются макромолекулярными комплексами. Остановимся для примера на липидно-протеидных структурах, так называемых мембранах. Мембраны регулируют избирательное проникновение веществ в клетку и выход из нее продуктов обмена. А митохондрии, представляющие собой мембраны, скомпонованные в более сложные комплексы, производят целую цепь химических превращений веществ, с помощью которых клетка снабжается богатыми энергией соединениями. Это одно из важнейших звеньев химической деятельности клетки.
Мембраны содержат молекулы, обладающие активностью определенного типа. Принцип всеобщей взаимосвязи явлений здесь особенно отчетливо проявляется. Вспомним следующий генетический эксперимент. Если воздействовать на ген структурного белка мембран (или, как говорят научным языком, провести мутацию по гену) так, что в нем произойдет замещение только одной аминокислоты - триптофана, в мембрану перестанет поступать цепь важных ферментов - дегидрогеназ, которые сами по себе в то же время нормально функционируют в цитоплазме клеток.
Примеры, приведенные здесь, еще раз подчеркивают уязвимость определенных элементов биосистемы именно из-за их ключевой роли в ее структурной, и функциональной иерархии.
Субклеточные частицы осуществляют очень сложную функцию и одновременно обладают большой степенью автономности. Замечательной иллюстрацией автономного поведения субклеточных частиц является следующий пример.
Несколько месяцев тому назад была опубликована работа, в которой обнаружено, что один почти микроскопический моллюск, заглатывая, и переваривая микроводоросли, сохраняет и, как бы культивирует в своей ткани хлоропласты этих водорослей, заставляя их работать на себя - вести фотосинтез. Таково любопытное использование субклеточных органелл.
Подводя итог сказанному, можно сделать вывод несмотря на то, что субклеточным органеллам свойственны отдельные функции живого, они, строго говоря, еще не живые. Но вот переступается почти исчезающая граница организации системы, и происходит переход на новый уровень организации, который дает нам подлинно живую систему - клетку.
ЧЕТВЕРТЫЙ УРОВЕНЬ организации - живая клетка в собранном виде, или «в сборе» (Я использую это выражение для того, чтобы подчеркнуть взаимосвязь субклеточных органелл и частиц, и иметь право говорить об их таком взаимодействии, когда клетка рассматривается, как единая функционирующая система.)
В последнее время много написано о сложном молекулярном структурном аппарате живой клетки.
Хотелось бы отдать должное методу электронной микроскопии, потому, что часто в ослеплении поражающих находок, относящихся к функции клетки и субклеточных систем, мы об этом забываем.
Однако схемы, построенные на основании электронно-микроскопических картин, грешат двумя большими недостатками. Во-первых, все структуры, которые мы рассматриваем в электронный микроскоп, излишне контрастированы, поскольку их предварительно «прокрашивают» (оттеняют) тяжелыми металлами. Поэтому мы видим не столько тонкие (в, какой-то мере «мягкие») структурные различия в клетке, сколько ее, как бы металлизированный «скелет». Во-вторых, на схеме нам представляется все неподвижным, в то время, как все структуры живой клетки в той или иной мере находятся в движении, перемещаются или меняют свою форму. И тем не менее только электронной микроскопии мы обязаны современными познаниями структуры клетки.
Если говорить о самом главном, что бросается в глаза при рассмотрении жизнедеятельности клетки, это, вероятно, будет гораздо более далеко идущий, и принципиально иной аспект саморегуляции процессов, чем мы это видели на предыдущих ступенях организации. В этой саморегуляции и приспособлении к меняющимся факторам, и внешней и внутренней среды «поступки» клетки, если так можно выразиться, и общая направленность всей ее химической деятельности далеко не всегда изменяются вслед за внешним влиянием или искусственно создаваемым воздействием - в частности химическим, -, а, как бы противостоят им, поддерживая работу своих систем на нужном ей режиме.
Только клетке в целом присуща своеобразная циклика развития и самовоспроизведения в далеко нисходящих поколениях. В этой замечательно регулируемой функции используются, и свойства макромолекул, о которых мы говорили выше, и работающих химических систем, и, наконец, функции субклеточных частиц, но все это предстает перед нами в единстве, в необычайной устойчивости, в организованном самоуправлении.
Даже хорошо изученные схемы считывания информации с ядерной ДНК, поступления передатчика (информационной РНК) в цитоплазму, работа переносчиков аминокислот (транспортных РНК), и так далее очень сложно регулируются и очень сложно вписываются в сверхсложную химическую, и «структурную» деятельность клетки.
Хорошо известны экспериментальные исследования по пересадке ядра, взятого из дифференцированной клетки эпителия кишечника взрослой лягушки, в яйцо лягушки. В определенном проценте случаев из такого «составного» яйца развивался целый и полноценный организм. Об этом подробно написано в обзорной статье английского ученого Гордона.
Это означает, что сугубо специализированная клетка взрослого организма вопреки своей специализации способна в, какой-то мере сохранять в своем ядре всю информацию, необходимую для развития целого организма.
Может показаться, что этот опыт является апофеозом командной роли ДНК, повелевающей не только синтетическими процессами, но, и всей сложностью индивидуального развития. Но в серии этих же экспериментов, в частности, того же Гордона, есть и вторая поучительная часть. Ядро нервной клетки (оно, как известно, не делится, и, как результат этого имеет весьма ограниченный синтез ДНК и, наоборот, достаточно быстро идущий синтез РНК) пересаживается в эмбриональную клетку. И здесь, в эмбриональной клетке, примерно через два часа после пересадки неделящееся ядро начинает делиться, и тут же начинается бурный синтез ДНК. Были поставлены, и обратные опыты. Ядро делящейся эмбриональной клетки пересаживается в растущую, но не размножающуюся яйцеклетку, и пересаженное ядро переходит от синтеза ДНК к изготовлению РНК, и перестает делиться.
Гордон замечает ядро клетки, пересаженное новому хозяину, - да, именно хозяину, так и сказано, - под влиянием химических факторов протоплазмы переходит на другую программу. Значит, речь идет не только о командной роли ДНК, и ядра, но и подлинной взаимосвязи. Вряд ли можно подозревать автора в тенденциозном отношении к этому вопросу, когда он говорит, что гены ядра управляют синтезом, и развитием клеток, а протоплазма управляет генами.
По последним данным того же Гордона, создается впечатление, что некоторые мембранные белки протоплазмы играют роль регулятора генной информации. Это обстоятельство еще больше повышает наш интерес к функции биологических мембран.
Представление о клетке, как о фундаментальной единице живого в, какой-то мере противоречиво. Действительно, одна клетка одноклеточного организма во многом эквивалентна клеточному ансамблю. С другой стороны, мембраны, сходные по строению с плазматической мембраной, одевающей клетку, пронизывают все ее тело, как бы деля ее на мелкие псевдоклетки.
Итак, жизнь начинается с организации системы, называемой живой клеткой, со сложной внутренней молекулярной структурой, с разнообразными системами мембранных конструкций, разделяющих вещества, с регулируемой проницаемостью и определенными химическими потенциями, с обязательным наличием ядра клетки, содержащим записанную в ДНК информацию, с механизмами передачи этой информации многочисленным ферментным системам, и наличием обратных связей в направлении «протоплазма - ядро», регулирующих использование информации. В целом это автономная, крайне устойчивая (в динамическом смысле слова), саморегулирующаяся система, обладающая определенной цикликой развития, размножения и воспроизведения, и управляющая всеми содержащимися в ней субклеточными образованиями.
Вряд ли можно согласиться с английским ученым Холдейном, который назвал, например, вирусы системами полужизни. Они не обладают той химической и энергетической, а главное, регулирующей автономностью, которая присуща клетке. С этой точки зрения вирус отнюдь не живая, хотя, и довольно сложная конструкция, играющая своеобразную биологическую роль. И вот тут, и биологически, и философски очень интересно следующее сравнение. Самый маленький в мире известный нам организм - это так называемая плеуро-плазма. Плеуроплазмы по своим размерам даже меньше больших вирусов, но они живые. Диаметр этих бактериоподобных существ от 0,1 до 0,2 микрона. Установлен их химический состав. Самая маленькая плеуроплазма содержит примерно 1 200 молекул белка и нуклеиновых кислот. По-видимому, среди белковых молекул около 300 различных ферментов. Некоторые из них представлены всего одной (!) молекулой. Однако этот субмикроскопический «агрегат» обладает всеми признаками живого в противоположность вирусным частицам растет, развивается, и размножается на искусственной (бесклеточной) среде. Самое удивительное то, что сравнительно малое число химически хорошо определяемых молекул (а ведь 1 200 - это сравнительно малое число!) так расставлено в пространстве, что создает устойчиво работающую, саморазвивающуюся систему.
В чем секрет такого молекулярного механизма? Очевидно, в хорошо отлаженном процессе того, что мы бы в технике назвали автоматическим регулированием и самонастройкой на оптимальный режим работы.
ПЯТЫЙ УРОВЕНЬ - многоклеточные организмы. Простейшие, формально одноклеточные организмы, как я уже говорил, по своим принципам организации, и функциям больше походят на многоклеточный организм, чем на первую ступень живого - клетку. Тут выступает функциональная и структурная дифференциация различных частей той же самой клетки.
Процесс дифференциации в организме таит в себе много неожиданного.
Исключительно интересны опубликованные недавно Хадорном данные о пересадке клеток личинки дрозофиллы взрослой мухе. Локализация клетки в теле личинки определяет будущую дифференциацию этой клетки (то есть определяет, клеткой, какой ткани она станет по мере развития). Если такую, казалось бы, детерминированную клетку пересадить взрослой дрозофиле, клетка изменит детерминацию. Так пересаженная клетка личинки, предназначенная, например, стать клеткой пищеварительного тракта, под влиянием окружающих соседей изменяет своему будущему амплуа, и становится, например, клеткой нервного узелка (это зависит от того, в, какую ткань она пересажена).
Может быть, именно в этом заключается механизм явления, когда раковая клетка в некоторых редких случаях под действием, каких-то внешних факторов может вдруг снова стать нормальной. Очевидно, где-то «подспудно», генетически сохраняются потенции, позволяющие раковой клетке вернуться к нормальной деятельности.
Рассматривая функцию целого организма, мы видим, что на первый план выходит сложная и, может быть, многократно дублируемая система авторегуляции (этим уже давно и широко занимаются физиологи). Хочется лишь еще раз подчеркнуть сверхвысокую надежность системы, построенной, по существу, из такого хрупкого, и легко разрушаемого материала.
В связи с этим приведу один поразительный пример, который всегда считался узкогенетическим, но, с моей точки зрения, имеет принципиальное общебиологическое значение. Английским зоологом Смитом несколько лет тому назад была обнаружена в Индийском океане рыба латимерия, или целакант. Рыба, знакомая палеонтологам по ископаемым остаткам и причисленная ими к миру животных, вымерших еще 300 миллионов лет назад, была неожиданно найдена «живой, и здоровой». Какой высокой должна быть надежность системы, которая в результате 300 или 400 миллионов циклов индивидуального развития сумела сохранить неизменными по крайней мере все внешние формы, а вероятно, и морфологические, и функциональные признаки этого организма. Правда, в этом вопросе есть статистическая тонкость, о которой совершенно забывают. Может быть, только исчезающе малая доля в каждом поколении организмов сохранялась неизменной, а основная масса мутировала и развивалась на древе эволюции. Таким образом, это не только пример необычайной устойчивости, но, как это ни парадоксально, и свидетельство малой вероятности такой устойчивости.
Считается, что латимерия дала начало наземным животным; основанием для такого предположения служат крепкие и сильно развитые «ногоподобные» плавники, позволяющие ей ползать даже по суше. Логически развивая эту мысль, трудно исключить предположение, что, и мы, люди, являемся потомками Старины Четверонога (этим именем Смит назвал рыбу и книгу о ней), много миллионов лет назад ответвившись в прогрессирующей эволюции от развития общего предка. Если бы это было не так, то к настоящему времени вся наша планета была бы населена только латимериями, и мы не видели бы нынешнего разнообразия животного мира.
ШЕСТОЙ УРОВЕНЬ организации жизни - биосфера в целом, то есть жизнь «в земном масштабе»
Мне кажется, мы подчас находимся в плену терминов «равновесие» и «нарушение равновесия». По существу, равновесия нет ни в клетке, ни в организме, ни в биосфере. Имеется некая динамическая циклика процессов, и, если нарушается регуляция этой циклики, и «выбросы» выходят за пределы; разрешенной амплитуды, наступают заболевания или гибель клетки, или организма и катастрофические последствия, если речь идет о живой природе в целом.
В жизни Мирового океана особенно видна взаимозависимость, и взаимосвязь разных живых существ. На эту взаимосвязь влияют смена времен года, меняющиеся физические условия, разнообразные течения, перепады температур, различия в солености и т. д.
От этих факторов зависит размножение, и миграция морских микроорганизмов и бесчисленного количества, и разнообразия видов мельчайших живых существ, так называемых зоо и фитопланктона. На долю фотосинтезирующих, и в первую очередь одноклеточных водорослей приходится основная масса «изготавливаемых» на земном шаре органических веществ. Как ни невероятно это кажется, но все наземные растения в целом дают меньше продуктов фотосинтеза, чем водоросли в океане.
Отсюда начинается целая сложная цепочка. Фитопланктонное «пастбище», от которого зависит целая плеяда питающихся планктоном рыб, тем самым определяет пищевые ресурсы рыб-хищников. Икра, и мальки хищных рыб, в свою очередь, пища других хищников. В этом необычайно сложном переплетении взаимоотношений имеют место сложные механизмы регуляций с меняющимися количественными уровнями процессов, и меняющейся их пространственной организацией.
Издавна биологов на всех уровнях организации живых систем интересовал вопрос регуляции. Однако под влиянием конкретных, и вдохновляющих находок, относящихся к звеньям отдельных процессов, теперь иногда забывается эта проблема номер один биологической науки.
О регуляции процессов жизни в биосфере в целом было схематически сказано выше. В сущности говоря, вся наука о поведении живых организмов, и о функции живых организмов, включая сложные вопросы деятельности центральной нервной системы, - это наука о регуляциях. Хорошо известно совершенство регуляторных систем организма, недоступных пока современной технике. Не случайно поэтому создается новая отрасль знания, «бионика», в задачу которой входит использовать для современной техники некоторые принципы функционирования, и в первую очередь принципы регуляции живых систем.
Не останавливаясь на этих больших проблемах, в заключение хотелось бы высказать только некоторые соображения о регуляторной функции клетки «в сборе», то есть жизнедеятельности клетки в целом - о вопросах, на которые, как ни странно, меньше обращают внимания.
Прежде всего необходимо подчеркнуть следующие особенности функции клетки.
Ее химическая деятельность необычайно сложна, налицо координация скоростей множества параллельно идущих, и переплетающихся «химических конвейеров»
Помимо ансамбля ферментативных процессов, эта деятельность требует очень организованного транспорта веществ, их передвижения, накопления, и выведения.
Весь этот комплекс химических конвейеров далеко не стабилизирован. Самым замечательным даже в простейшей живой системе - клетке - является непрерывная самоустановка на новый, «наивыгоднейший режим работы» в зависимости от изменяющихся условий внешней среды.
При рассмотрении всех этих сложных вопросов всегда на первый план выходит многозначительное сочетание с одной стороны - структурная организация клетки, с другой стороны - соответствующая этой структурной организации функция. Изменение функции неизбежно связано со структурными превращениями, и наоборот.
Приведу два многозначительных в этом плане примера - один, относящийся к медленной эволюции структуры и приводящий в таком медленном темпе к глубоким функциональным изменениям, и второй, когда происходят быстрые изменения структуры в ответ на изменение функционального состояния клетки.
Так, старшим научным сотрудником нашей лаборатории (лаборатория мышечного сокращения) О. Басурмановой получены очень любопытные данные, касающиеся перестройки структуры так называемой прилежащей железы в ганглии (центральной нервной системе) насекомого. Эта перестройка соответствует переходу от неактивного состояния к активному, когда клетка синтезирует гормон, выделяемый центральной нервной системой насекомого, и играющий роль стимулятора, а можно сказать больше, резкого активатора всех функций.
На рисунке показана еще неактивная клетка насекомого с отчетливо различимым ядром, и компактным ядрышком. Этот объект замечателен тем, что при переходе насекомого в активное состояние слой протоплазмы вокруг ядра становится широким, в протоплазме увеличивается число мембран, частично организованных в виде пачек, и много рибосом (частиц, осуществляющих синтез белка) оказываются прикрепленными к мембранам. Но самые поразительные изменения происходят в ядрышке клетки на следующем рисунке вместо компактной структуры видно кольцо, а по ряду срезов можно установить, что, в сущности говоря, это плотная сфера, по диаметру много раз превышающая ядрышко неактивного состояния.
Центральная часть ядрышка заполнена зернышками - частицами, которые по своим размерам, и форме соответствуют рибосомам. При рассмотрении этих картин создается впечатление, что переход в активное состояние сопровождается, можно сказать, «бешеной» продукцией рибосом в ядрышке. Последнее превращается в интенсивно работающую «фабрику рибосом». Учитывая основную функцию рибосом, ясно, что клетка готовит их в таком количестве, имея в виду резкую активизацию синтеза белка.
Быстрое изменение структуры, связанное с функцией, особенно отчетливо видно при электронно-микроскопическом изучении другого объекта, так называемых двигательных нейронов (то есть нервных клеток) дождевого червя.
На рисунке - схема ультраструктуры нервной клетки в покое, и после часа механического раздражения (см. стр. 26). Поразительно, как трансформировалась картина цитоплазмы, и в, какой мере она населилась мембранными пачками, а также появившимся дополнительным числом митохондрий. Здесь только в общей форме можно говорить о резком усилении обменных процессов при раздражении, но наблюдаемое изменение ультраструктуры многозначительно.
Но есть примеры, и еще более быстрого изменения структуры. Мы хорошо теперь знаем, какую существенную роль в обменных процессах клетки играют так называемые митохондрии. Они наготавливают универсальное горючее (так называемую аденозинтрифосфорную кислоту), обеспечивающее энергией всю совершаемую клеткой работу. В случае необходимости клетка увеличивает число митохондрий путем их размножения или образования вновь. Но, оказывается, есть еще более быстрый способ использования митохондрий в той или другой части клетки. Они активно перемещаются.
На схеме, представленной на предыдущей странице (внизу справа), показан ряд последовательных микрокинокадров. Здесь видно, как митохондрия активно «переползает» в нужный район клетки, усиливая энергетические поставки именно в данном районе.
Вся внутренняя организация клетки с помощью мембран разделяет функционирующие подсистемы на своего рода «отсеки». Рассматривая эту внутреннюю организацию, естественно предположить, что, помимо уже хорошо известных каталитических функций мембранных и многомембранных систем, эта организация является инструментом для направленного передвижения веществ. Движение в этой системе далеко не пассивно. Такая подвижность хорошо известна, и наблюдается в самой различной форме. Но, как нам кажется, подвижность не только служит организованной транспортной функцией. От геометрической формы, сжатия, растяжения или структурной блокировки многочисленных активных поверхностей зависит каталитическая способность субклеточных образований.
Мы хорошо знаем, что непрерывно идущие обменные процессы необходимы для поддержания удивительной субмикроскопической организации клетки. Остановка, в частности, окислительных процессов приводит к тому, что субмикроскопическая организация начинает разваливаться. Таким образом, непрерывно идущие, и организованные процессы метаболизма необходимы для поддержания молекулярной организации.
С другой стороны, сама организованность явлений метаболизма обеспечивается лишь целостностью структурного надмолекулярного ансамбля.
Отсюда естественно предположить, что видоизменение этой структуры меняет ход, и направленность химических процессов.
Мы видим, что в общей форме само собой разумеющееся единство структурной организации, и метаболических процессов - типичный случай системы обратных связей, являющихся обязательным звеном аппарата саморегуляции.
Возвращаясь к сказанному о различном уровне организации живых систем, следует попытаться высказать некоторые общие соображения. Приведенный фактический материал, полученный в последние годы, еще более подтверждает основной закон диалектики о всеобщности взаимосвязей. Но об-этом можно сказать, и конкретнее эта всеобщность взаимодействия раскрывается нам теперь, как целая иерархия механизмов обратных связей. В этом секрет той удивительной регуляции процессов, характерной для живой системы, и необычайной устойчивости этих процессов.
Читайте в любое время
